一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法

技术领域

本发明涉及船舶设计技术领域，具体涉及一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法。

背景技术

船舶锚台是设置在船舶外板上用于收纳或固定锚的凸台。通常锚台的面板上设置有锚台孔以用于穿越连接锚的链绳。抛锚时，通过放出链绳使得锚沉于水底，收锚时通过收卷链绳使得锚能够收纳或固定在锚台上。

在40000吨的自卸船设计中涉及到锚台在船舶外板上的布置和结构设计。由于该船需要在多个港口码头频繁靠泊带缆，如果采用锚穴样式，锚爪会突出于锚穴，缆绳会与锚爪摩擦。因此改为锚台结构，以避免缆绳在带缆过程中与锚爪摩擦受损。另外考虑制造方便，锚台采用钢板拼接结构。由于该船航行区域会出现恶劣海况，需要对锚台的下部进行优化，以最大限度地减少上浪抨击。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法，旨在方便锚台的制造，同时最大限度地减轻锚台受到的海浪撞击力。具体的技术方案如下：

一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法，包括如下步骤：

(1)建立锚台的初始模型结构：所述锚台的初始模型结构包括锚台面板、连接在所述锚台面板周边的若干数量侧板；其中，所述锚台面板为矩形锚台面板，且所述锚台面板的下方左右两个直角处分别设置有通过倒角形成的斜边，从而使得所述锚台面板的周边形成五个侧边，并形成所述锚台面板形状的左右对称结构；所述的五个侧边为上侧边、左则边、右侧边、左斜边、右斜边和下侧边，所述若干数量侧板为连接所述上侧边的上侧板、连接所述左侧边的左侧板、连接所述右侧边的右侧板、连接所述左斜边的左斜侧板、连接所述右斜边的右斜侧板和连接所述下侧边的下侧板；其中，所述上侧边与所述锚台面板之间的夹角为90度，所述左侧板、右侧板、左斜侧板、右斜侧板、下侧板分别与所述锚台面板之间的夹角≥90度；

(2)确定锚台面板的基本尺寸：根据船舶吨位和所选用的锚的大小，确定锚台面板的宽度和高度，并确定锚台面板的下侧边的长度，以及左斜边和右斜边之间的夹角；其中，所述锚台面板的宽度即左则边与右侧边之间的距离，所述锚台面板的高度即上侧边与下侧边之间的距离，所述下侧边的长度取设计允许范围内的最小值；其中，所述左斜边和右斜边的倾斜角度是通过第一次海浪冲击模拟试验得到，所述第一次海浪冲击模拟试验是在所述左侧板、右侧板、左斜侧板、右斜侧板、下侧板与所述锚台面板之间的夹角均为90度情况下，按一定比例制作出左斜侧板与右斜侧板之间相对夹角可变化的可变形锚台模型，并将所述可变形锚台模型放置到海浪模拟装置内，得到所述可变形锚台模型承受最小冲击量能条件下的左斜侧板与右斜侧板之间的斜侧板初始夹角，所述斜侧板初始夹角作为所述锚台面板的左斜边和右斜边之间的夹角；

(3)侧板与锚台面板之间的夹角优化：按一定比例制作若干数量的不可变形锚台模型，所述不可变形锚台模型的所述左侧板、右侧板、左斜侧板、右斜侧板、下侧板分别与所述锚台面板之间的夹角在90度的基础上同步放大为≥90度的不同钝角，并对所述不同钝角的不可变形锚台模型放置到海浪模拟装置内进行第二次海浪冲击模拟试验，得到各所述不可变形锚台模型所承受的冲击量能，选取不可变形锚台模型承受最小冲击量能条件下的所述钝角作为所述左侧板、右侧板、左斜侧板、右斜侧板、下侧板分别与所述锚台面板之间的夹角。

优选的，所述海浪模拟装置包括水槽、设置在所述水槽上的海浪模拟发生器、设置在所述水槽上方的过桥，所述过桥向下竖立设置有一段圆柱形扭力梁，所述圆柱形扭力梁的下端设置有连接法兰，所述水槽内还设置有一模拟锚台安装处的船舶外板局部形状的靠模座，所述靠模座上设置有靠模面；所述圆柱形扭力梁上粘贴有用于检测模拟海浪冲击量能的电阻应变片，所述电阻应变片连接应变记录仪。

进行海浪冲击模拟试验时，将锚台模型吊挂固定在所述圆柱形扭力梁的连接法兰上，并使得所述锚台模型后侧的背面贴靠在所述靠模座的靠模面上；所述应变记录仪动态记录模拟海浪对所述锚台模型进行海浪冲击的应变量的变化情况，从而形成应变量y与时间t的关系曲线y＝f(t)，利用所述应变量y与时间t的关系曲线y＝f(t)建立冲击量能评估公式

本发明中，所述可变形锚台模型包括模拟下侧板、分别通过铰轴转动连接在所述模拟下侧板两端的模拟左斜侧板和模拟右斜侧板、通过铰轴转动连接在所述模拟左斜侧板上端的模拟左侧板、通过铰轴转动连接在所述模拟右斜侧板上端的模拟右侧板，所述模拟下侧板的上平面的左右对称位置向上竖立连接有一刚性立柱，所述刚性立柱上外套有一滑动套，所述滑动套的左右两侧的上下位置分别设置有上左连接座、下左连接座、上右连接座、下右连接座，在所述上左连接座、下左连接座与所述左侧板之间通过铰轴连接设置有一对平行等长的左连杆，在所述上右连接座、下右连接座与所述右侧板之间通过铰轴连接设置有一对平行等长的右连杆，所述滑动套上下移动时通过所述左连杆和右连杆带动所述左斜侧板与右斜侧板之间的斜侧板夹角发生变化，所述滑动套通过侧向固定螺钉与所述刚性立柱相固定，所述刚性立柱的顶部设置有安装盘，所述安装盘与所述圆柱形扭力梁上的连接法兰相固定。

其中，所述模拟左侧板、模拟右侧板、模拟左斜侧板、模拟右斜侧板、模拟下侧板之间所围成的区域的前侧连接有模拟所述锚台面板的弹性可伸缩橡胶板以适应所述可变形锚台模型的变形。

本发明中，所述不可变形锚台向上竖立连接有一刚性立柱，所述刚性立柱的顶部设置有安装盘，所述安装盘与所述圆柱形扭力梁上的连接法兰相固定。

根据各所述不可变形锚台模型的第二次海浪冲击模拟试验结果，得到所述不可变形锚台模型的所述模拟左侧板、模拟右侧板、模拟左斜侧板、模拟右斜侧板、模拟下侧板分别与所述锚台面板之间的夹角α与所述冲击量能H的离散数据关系，然后采用最小二乘法对所述离散数据关系进行曲线拟合处理，得到所述冲击量能H与所述夹角α的函数关系式H＝f(α)，再根据函数关系式H＝f(α)求出冲击量能H的最小值以及所述冲击量能H取最小值时的夹角α值，并将所述冲击量能H取最小值时的夹角α值作为所述步骤(3)中侧板与锚台面板之间的夹角优化值。

优选的，所述靠模座的靠模面上设置有泄水槽。

优选的，所述电阻应变片的数量有多个且沿所述圆柱形扭力梁的周向均匀分布，同一时间点上取各所述电阻应变片中测得的最大应变量作为实际的应变量。

本发明中，所述锚台面板的中心部位设置有锚台孔。

本发明中，所述锚台面板和各侧板设计完成后，再进行锚台内部筋板的设计。

作为海浪冲击模拟试验的一种可选方案，在条件具备的情况下，也可以利用本发明中的锚台模型以及海浪模拟装置中的靠模座、过桥(含圆柱形扭力梁)和应变记录仪作为单独的试验组件，将上述试验组件在海上的现场重新搭建后对锚台模型进行海浪冲击模拟试验，以更加符合实际情况。

本发明的有益效果是：

第一，本发明的一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法，锚台采用钢板拼接节使得制造较为方便，且锚台在设计阶段采用了两次海浪冲击模拟试验，由此优化了锚台的形状，从而最大限度地减轻了锚台受到的海浪撞击力。

第二，本发明的一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法，建立了锚台模型受海浪冲击的冲击量能评估公式，并通过冲击量能评估公式指导锚台结构设计，从而形成了减少海浪冲击量能的良好锚台结构。

第三，本发明的一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法，两次海浪冲击模拟试验中采用了不同的锚台模型，实现了相互协同优化。

附图说明

图1是本发明的一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法的设计流程示意图；

图2是第一次海浪冲击模拟试验的结构示意图；

图3是图2中的可变形锚台模型的结构示意图；

图4是第二次海浪冲击模拟试验的结构示意图；

图5是优化后的采用钢板拼接的船舶锚台结构示意图。

图中：1-1、可变形锚台模型，1-2、不可变形锚台模型，2、海浪模拟装置，3、水槽，4、海浪模拟发生器，5、过桥，6、圆柱形扭力梁，7、连接法兰，8、靠模座，9、靠模面，10、电阻应变片，11、应变记录仪，12、模拟下侧板，13、铰轴，14、模拟左斜侧板，15、模拟右斜侧板，16、模拟左侧板，17、模拟右侧板，18、刚性立柱，19、滑动套，20、上左连接座，21、下左连接座，22、上右连接座，23、下右连接座，24、左连杆，25、右连杆，26、侧向固定螺钉，27、安装盘，28、弹性可伸缩橡胶板，29、泄水槽。

图中：30、锚台面板，31、上侧边，32、左则边，33、右侧边，34、左斜边，35、右斜边，36、下侧边，37、上侧板，38、左侧板，39、右侧板，40、左斜侧板，41、右斜侧板，42、下侧板，43、锚台孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至5所示为本发明的一种采用钢板拼接的船舶锚台结构设计方法的实施例，包括如下步骤：

(1)建立锚台的初始模型结构：所述锚台的初始模型结构包括锚台面板30、连接在所述锚台面板30周边的若干数量侧板；其中，所述锚台面板30为矩形锚台面板，且所述锚台面板30的下方左右两个直角处分别设置有通过倒角形成的斜边，从而使得所述锚台面板30的周边形成五个侧边，并形成所述锚台面板30形状的左右对称结构；所述的五个侧边为上侧边31、左则边32、右侧边33、左斜边34、右斜边35和下侧边36，所述若干数量侧板为连接所述上侧边31的上侧板37、连接所述左侧边32的左侧板38、连接所述右侧边33的右侧板39、连接所述左斜边34的左斜侧板40、连接所述右斜边35的右斜侧板41和连接所述下侧边36的下侧板42；其中，所述上侧边31与所述锚台面板30之间的夹角为90度，所述左侧板38、右侧板39、左斜侧板40、右斜侧板41、下侧板42分别与所述锚台面板30之间的夹角≥90度；

(2)确定锚台面板的基本尺寸：根据船舶吨位和所选用的锚的大小，确定锚台面板30的宽度和高度，并确定锚台面板30的下侧边36的长度，以及左斜边34和右斜边35之间的夹角；其中，所述锚台面板30的宽度即左则边32与右侧边33之间的距离，所述锚台面板30的高度即上侧边31与下侧边36之间的距离，所述下侧边36的长度取设计允许范围内的最小值；其中，所述左斜边34和右斜边35的倾斜角度是通过第一次海浪冲击模拟试验得到，所述第一次海浪冲击模拟试验是在所述左侧板38、右侧板39、左斜侧板40、右斜侧板41、下侧板42与所述锚台面板30之间的夹角均为90度情况下，按一定比例制作出左斜侧板40与右斜侧板41之间相对夹角可变化的可变形锚台模型1-1，并将所述可变形锚台模型1-1放置到海浪模拟装置2内，得到所述可变形锚台模型1-1承受最小冲击量能条件下的左斜侧板40与右斜侧板41之间的斜侧板初始夹角，所述斜侧板初始夹角作为所述锚台面板30的左斜边34和右斜边35之间的夹角；

(3)侧板与锚台面板之间的夹角优化：按一定比例制作若干数量的不可变形锚台模型1-2，所述不可变形锚台模型1-2的所述左侧板38、右侧板39、左斜侧板40、右斜侧板41、下侧板42分别与所述锚台面板30之间的夹角在90度的基础上同步放大为≥90度的不同钝角，并对所述不同钝角的不可变形锚台模型1-2放置到海浪模拟装置2内进行第二次海浪冲击模拟试验，得到各所述不可变形锚台模型1-2所承受的冲击量能，选取不可变形锚台模型1-2承受最小冲击量能条件下的所述钝角作为所述左侧板38、右侧板39、左斜侧板40、右斜侧板41、下侧板42分别与所述锚台面板30之间的夹角。

优选的，所述海浪模拟装置2包括水槽3、设置在所述水槽3上的海浪模拟发生器4、设置在所述水槽3上方的过桥5，所述过桥5向下竖立设置有一段圆柱形扭力梁6，所述圆柱形扭力梁6的下端设置有连接法兰7，所述水槽3内还设置有一模拟锚台安装处的船舶外板局部形状的靠模座8，所述靠模座8上设置有靠模面9；所述圆柱形扭力梁6上粘贴有用于检测模拟海浪冲击量能的电阻应变片10，所述电阻应变片10连接应变记录仪11。

进行海浪冲击模拟试验时，将锚台模型1-1或1-2吊挂固定在所述圆柱形扭力梁6的连接法兰7上，并使得所述锚台模型1-1或1-2后侧的背面贴靠在所述靠模座8的靠模面9上；所述应变记录仪11动态记录模拟海浪对所述锚台模型1-1或1-2进行海浪冲击的应变量的变化情况，从而形成应变量y与时间t的关系曲线y＝f(t)，利用所述应变量y与时间t的关系曲线y＝f(t)建立冲击量能评估公式

本实施例中，所述可变形锚台模型1-1包括模拟下侧板12、分别通过铰轴13转动连接在所述模拟下侧板12两端的模拟左斜侧板14和模拟右斜侧板15、通过铰轴13转动连接在所述模拟左斜侧板14上端的模拟左侧板16、通过铰轴13转动连接在所述模拟右斜侧板15上端的模拟右侧板17，所述模拟下侧板12的上平面的左右对称位置向上竖立连接有一刚性立柱18，所述刚性立柱18上外套有一滑动套19，所述滑动套19的左右两侧的上下位置分别设置有上左连接座20、下左连接座21、上右连接座22、下右连接座23，在所述上左连接座20、下左连接座21与所述左侧板38之间通过铰轴连接设置有一对平行等长的左连杆24，在所述上右连接座22、下右连接座23与所述右侧板39之间通过铰轴连接设置有一对平行等长的右连杆25，所述滑动套19上下移动时通过所述左连杆24和右连杆25带动所述左斜侧板40与右斜侧板41之间的斜侧板夹角发生变化，所述滑动套19通过侧向固定螺钉26与所述刚性立柱18相固定，所述刚性立柱18的顶部设置有安装盘27，所述安装盘27与所述圆柱形扭力梁6上的连接法兰7相固定。

其中，所述模拟左侧板16、模拟右侧板17、模拟左斜侧板14、模拟右斜侧板15、模拟下侧板12之间所围成的区域的前侧连接有模拟所述锚台面板30的弹性可伸缩橡胶板28以适应所述可变形锚台模型1-1的变形。

本实施例中，所述不可变形锚台1-2向上竖立连接有一刚性立柱18，所述刚性立柱18的顶部设置有安装盘27，所述安装盘27与所述圆柱形扭力梁6上的连接法兰7相固定。

根据各所述不可变形锚台模型1-2的第二次海浪冲击模拟试验结果，得到所述不可变形锚台模型1-2的所述模拟左侧板16、模拟右侧板17、模拟左斜侧板14、模拟右斜侧板15、模拟下侧板12分别与所述锚台面板30之间的夹角α与所述冲击量能H的离散数据关系，然后采用最小二乘法对所述离散数据关系进行曲线拟合处理，得到所述冲击量能H与所述夹角α的函数关系式H＝f(α)，再根据函数关系式H＝f(α)求出冲击量能H的最小值以及所述冲击量能H取最小值时的夹角α值，并将所述冲击量能H取最小值时的夹角α值作为所述步骤(3)中侧板与锚台面板之间的夹角优化值。

优选的，所述靠模座8的靠模面9上设置有泄水槽29。

优选的，所述电阻应变片10的数量有多个且沿所述圆柱形扭力梁6的周向均匀分布，同一时间点上取各所述电阻应变片10中测得的最大应变量作为实际的应变量。

本实施例中，所述锚台面板30的中心部位设置有锚台孔43。

本实施例中，所述锚台面板30和各侧板设计完成后，再进行锚台内部筋板的设计。

作为海浪冲击模拟试验的一种可选方案，在条件具备的情况下，也可以利用本实施例中的锚台模型1-1、1-2以及海浪模拟装置2中的靠模座8、过桥5(含圆柱形扭力梁6)和应变记录仪11作为单独的试验组件，将上述试验组件在海上的现场重新搭建后对锚台模型1-1、1-2进行海浪冲击模拟试验，以更加符合实际情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。