基于GHS軟件的傾覆船舶扳正計算與分析

潘德位,林成新,孫德平,劉志杰,周超玉

(1.大連海事大學 交通運輸裝備與海洋工程學院,遼寧 大連 116026;2.大連海事大學 輪機工程學院,遼寧 大連 116026)

基于GHS軟件的傾覆船舶扳正計算與分析

潘德位1,林成新1,孫德平2,劉志杰1,周超玉1

(1.大連海事大學 交通運輸裝備與海洋工程學院,遼寧 大連 116026;2.大連海事大學 輪機工程學院,遼寧 大連 116026)

在考慮難船浮性和穩(wěn)性的基礎上,研究了傾覆船舶的扳正過程。根據(jù)船舶的受力特點,建立了打撈難船的扳正力力學模型;針對傳統(tǒng)扳正力編程計算時間長和前期數(shù)據(jù)輸入量大的問題,提出利用GHS軟件的Salvage模塊進行分析計算。并以某傾覆船舶扳正為例,建立三維模型并對其扳正過程進行仿真計算研究,從計算結果可以分析出最大扳正力值及其出現(xiàn)的扳正階段、該船舶的穩(wěn)性狀態(tài)及船舶縱向上的強度分布情況。GHS軟件能夠合理模擬橫傾船舶的扳正過程,適用于制定船舶救助打撈方案。

傾覆船舶;沉船打撈;扳正力;浮力和穩(wěn)性;GHS軟件

船舶沉沒后在水下的姿態(tài)各有不同,有的為正坐即甲板向上,更多的為橫傾,其橫傾角度為0°～180°[1]。打撈時,當沉船出現(xiàn)較大橫傾角度時,起浮前應對沉船進行扳正[2]。船舶扳正就是施加在難船上的扳正力矩大于阻力矩使船舶向正方向翻轉(zhuǎn)的過程。傾覆于水面的船舶的浮力主要來自于船艙內(nèi)儲備的空氣墊,所以保持船底部的完整或可以快速修補是非常重要的。扳正過程也是扳正力、浮力和船舶重力共同作用的結果。對于具有一定儲備浮力和穩(wěn)性的難船,可以通過計算進行調(diào)載和卸載,使船舶橫傾與縱傾恢復至適于航行的狀態(tài)[3-5]。

本文在研究傾覆船舶扳正方法的基礎上,根據(jù)扳正過程中船舶受力的特點,推導出扳正傾覆船舶的力學公式。針對常規(guī)方法計算扳正力復雜低效的缺點,嘗試使用GHS軟件Salvage模塊模擬扳正過程,求解所需最大扳正力和扳正角度,同時得到扳正各階段沿船舶縱向上的扭矩分布值,對于合理統(tǒng)籌設計扳正施力點具有現(xiàn)實的指導意義。

1 GHS軟件簡介

GHS軟件是以應用水靜力學程序為基礎不斷發(fā)展起來的,它利用水靜力學理論,分析任意形狀海洋浮體結構在給定吃水和傾角時所具備的浮性、穩(wěn)性和強度。目前,GHS軟件由4個模塊組成[6],第1個模塊為GHS,用于所有類型的船舶及其他浮動結構設計計算和評估的軟件系統(tǒng),它通過使用船只的數(shù)學/幾何模型計算其受力狀態(tài)來求解浮性,傾角,穩(wěn)性和強度;第2個模塊為GHS/Salvage,在打撈船舶前期計算時,可以不限制縱傾和橫傾,模擬出船舶直立甚至倒立狀態(tài);第3個模塊為GLM,用于船舶在各種載荷作用下的穩(wěn)定性和強度監(jiān)測,具備快速檢查船舶安全能力和預期負載能力;第4個模塊為BHS,是GHS的衍生程序,具備GHS很多功能,但更易于編輯模型,生成船艙和船舶附體等,特別是可以生成高質(zhì)量的圖表。本文分析計算時采用的是GHS/Salvage模塊。

2 數(shù)學模型

對于一定傾角的難船進行打撈,首先要對難船進行扳正。通常需要扳正的難船呈3種狀態(tài)[7]:①小傾角傾斜,需要施加很小的扳正力,甚至不用施加外力,調(diào)節(jié)艙室載荷即可實現(xiàn)難船扳正;②大傾角傾斜,傾角接近或超過90°,需要外力輔助扳正;③船舶傾覆,一般出現(xiàn)在相對船舶較深的水域。

圖1 難船扳正過程的某一階段受力示意Fig.1 Force diagram of righting process at a certain stage

為了便于分析,忽略縱傾的影響,只考慮橫傾的變化。因此,船舶的位置可以用橫傾角和吃水2個參變量來表示。難船扳正過程的某一階段受力如圖1。

當難船自浮水面穩(wěn)定時,根據(jù)重力與浮力平衡可得到:

式中:W為船舶自重;▽為船舶排水量。

假設在外力F作用時,扳正的過程是分段緩慢進行,各階段可近似地看作是穩(wěn)定的,故滿足以下的力平衡式:

式中:Φ為橫傾角;B為船舶型寬。

當船舶發(fā)生瞬間傾覆后,貨艙內(nèi)仍充滿著空氣,這一部分空氣會給船舶提供浮力,稱為空氣墊?？諝鈮|體積可以假設是等溫變化的,根據(jù)波意耳定律[8]:

式中:h為傾斜之前船內(nèi)自由液面低于船外水面的距離;h0為傾斜之后的船內(nèi)自由液面低于船外水面的距離;V0為初始空氣體積;V為某一橫傾角下的空氣墊體積;P0為大氣壓強。

傾覆船舶空氣墊的存在增加了儲備浮力。但是,隨著扳正過程的進行,空氣墊會逐漸縮小直到消失,同時難船艙室內(nèi)的自由液面對扳正過程的阻力也會下降?？偢×ψ冃е掳庹梢岳糜行Ц×p小,因而需要增加提升沉船力量。否則難船可能會直接沉底,大大增加了扳正難度,如果有條件可以在難船上施加吊力阻止下沉。如果空氣墊的面積很大但是總的體積卻很小,壓縮空氣的影響可以忽略。對于大型船舶和空氣墊很大的船舶而言,不能忽略空氣壓縮的影響。

根據(jù)浮力與重力的合力矩平衡可得:

進一步根據(jù)式(2)和(6)可得關于Φ,T的扳正力公式:

通常扳正力需要多次根據(jù)橫傾角和吃水計算得到。對于任何一個給定的橫傾角,可以求出式(7)的解,進一步輸入吃水得出扳正力,可以制成圖表以便分析。但是,這樣只能得到某一船只的扳正力,不具備普遍應用的條件,打撈計算起來極為不便,難以適應快速打撈的需要。

如果針對扳正力公式,對于在任何給定吃水和橫傾狀況下船舶所有靜水力特征的輸出信息編輯程序求解,會使計算得到極大的簡化,從而加快工作速度,但也需要一定的時間。本文根據(jù)船舶的具體信息,采用GHS軟件模擬其扳正過程,可以迅速求解。

3 模擬計算實例

在傳統(tǒng)的打撈工程中,扳正力的計算采用表格法和經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式,所得到的結果往往與實際結果偏差較大,曾出現(xiàn)過因扳正力計算錯誤導致浮吊損毀的情況。所以,傳統(tǒng)計算的扳正力對打撈意義有限。扳正現(xiàn)場只能不斷調(diào)整試探,從而安排所需設備,大大增加打撈成本和時間,工程效率極低[9]。利用GHS軟件輔助設計沉船扳正方案能很好地解決上述問題,合理配置扳正力(PULL命令),使扳正方案更為科學,從而完善打撈方案。

3.1 船體模型建立

本文利用GHS軟件建立某船舶的模型(圖2)。建模完成之后經(jīng)過進一步修正得到比較準確的模型,以便在隨后的計算中得到最接近實際狀態(tài)的模擬數(shù)據(jù)。圖2中艙室分別填充紫色、深藍、淡藍、褐色、黃色和綠色。假設該船由于風浪作用,以傾覆狀態(tài)漂浮在海面。為了方便扳正難船,卸掉艙室內(nèi)的貨物和燃料。由于褐色艙室頂蓋存在破損,導致該艙進水,紅色部分表示進水口。難船的傾覆狀態(tài)如圖3,圖中由2個橫向剖面圖組成,文中a表示船尾方向,f表示船首方向,s表示船舶右側,p表示船舶左側。

圖2 船舶船體和艙室Fig.2 The hull and cabin of a yacht

圖3 難船初始狀態(tài),左傾180°(上移)Fig.3 The initial state,180 degrees to the left

3.2 靜穩(wěn)性

在圖4中,A,B曲線分別為該船遇難前、后的靜穩(wěn)性曲線。船體遇難后,由于上層艙室進水,嚴重降低了船體的穩(wěn)性,甚至出現(xiàn)負初穩(wěn)性,船體的最大復原力臂、極限靜傾角和穩(wěn)矩都不同程度減小,船體的抗傾斜能力必然降低。

3.3 初始狀態(tài)計算

對建立的模型進行初始狀態(tài)仿真模擬,可以求解出船舶的吃水、縱傾角、橫傾角、重量和重心,從而大大減少打撈前期人工探摸的工作量,提高工作效率。

本次計算中,船舶總長L=5.5 m,型寬B=2.18 m,型深D=0.9 m,船體質(zhì)量W=1.1 t,初始狀態(tài)時橫傾角=180°(p),縱傾角=1.59°(a)。在模型的橫剖面上合理布置施力作用點,為簡化分析,在船體的兩個橫剖面上合理布置6個施力作用點,確定每個施力點扳正力的作用方向和角度,見表1。

圖4 船舶靜穩(wěn)性曲線Fig.4 Curves of statical stability of a yacht

表1 初始載荷下某船舶的基本數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of a yacht in initial state

3.4 扳正過程模擬

3.4.1扳正過程 迅速準確計算難船所需的最大扳正力能有效減少扳正時間,對整個打撈工程非常必要。通過GHS軟件模擬仿真扳正過程,能很快解出結果,為打撈初期方案設計提供理論參考。打撈工作開始后,適當?shù)卦诟髯饔命c施加扳正力,當扳正力矩大于阻力矩,難船開始滾動。扳正力達到所需要的最大值并不是一次實現(xiàn)的,而是通過數(shù)次加載完成,扳正過程也是施加扳正力的過程。為了保證扳正過程的安全、有序,每進行一次扳正力的加載,都應當暫停,通過對扳正纜和沉船等進行觀察,確定無安全隱患后,再繼續(xù)按扳正方案進行加載。

由初始狀態(tài)開始對扳正力適當賦值,并逐漸遞增(本例中增力為0.05 t)。難船扳正過程見圖5和6,圖中分別為船體縱向坐標為1(f)和1.25(a)的截面。圖6中船舶向右傾斜表示完全扳正后施加的扳正力產(chǎn)生扳正力矩繼續(xù)對船舶作用的結果。

圖5 難船扳正過程中任一狀態(tài),左傾167.78°Fig.5 A certain state of righting process,167.78 degrees to the left

圖6 難船完全扳正后狀態(tài),右傾30.93°Fig.6 The state after sitting,30.93 degrees to the right

3.4.2破艙計算 船舶傾覆后,破損艙室進入一定量的海水。隨著船舶的轉(zhuǎn)動,在船體自重、傾角和艙室內(nèi)剩余氣體的作用下,艙室內(nèi)的進水量和空氣占艙室的體積分數(shù)會發(fā)生變化,見表2。

表2 進水艙室基本數(shù)據(jù)Tab.2 Basic data of damaged cabin

隨著船體橫傾角度的變化,艙室進水口的深度發(fā)生變化,在壓力作用下艙室內(nèi)空氣體積分數(shù)也相應發(fā)生改變。由于該船自重較小,完整艙室均無載貨,吃水較淺,導致破艙內(nèi)壓力變化較小,故軟件沒有精確顯示出破艙進水量小范圍的波動。

圖7 扳正過程中扳正力的變化Fig.7 Variation of righting force during uprighting process

3.4.3扳正力 船體扳正前期,扳正力值會隨著船體橫傾角度的減小而逐漸增加。當扳正力值達到最大后,會隨著船體轉(zhuǎn)動而逐漸降低,直至外力扳正作用消失。實際打撈工程中,根據(jù)最大扳正力,可以進一步預備相關扳正設備和制定詳細的打撈方案。圖7為所需扳正力值隨橫傾角變化。

圖7中,扳正力變化線由兩組線段組成,其中實線段表示船體扳正過程中扳正力逐漸增大的過程;虛線表示船體正坐后持續(xù)施加最大扳正力使其傾斜的結果。虛線段一端較大值表示整個扳正過程的最大扳正力值為1 t。扳正力的大小與施力點的位置設計、扳正力方向和角度相關,有條件的情況可以利用設備增加扳正力矩,降低扳正力。扳正點的位置應根據(jù)實際情況進行調(diào)整,保證扳正過程中船體的安全。

3.4.4船體強度 船舶扳正過程中,由于外力作用,需要慎重考慮船體強度的分布情況。正常航行中,普通船舶極少考慮船體縱向扭轉(zhuǎn)強度,通常在滿足縱向彎曲強度的條件下,扭轉(zhuǎn)強度一般也能滿足。但是,在船舶扳正過程中,則需要適當考慮扭轉(zhuǎn)強度。由圖7可知,船體扳正到左傾167.08°后,扳正力達到最大值。圖8為難船在左傾167.08°時船體強度分布曲線。

圖8 船體強度分布(船尾←縱向→船頭)Fig.8 Intensity distribution of hull(stern←longitudinal→bow)

船體質(zhì)量分布是難船打撈設計的基礎參數(shù)之一,包括船體質(zhì)量和載貨分布。浮力分布與船體質(zhì)量分布、船體型線、船體傾角和吃水密切相關。剪力分布為船體質(zhì)量分布、浮力分布和扳正力分布的代數(shù)和的積分。而彎矩分布和扭矩分布則為剪力分布的進一步積分。船體強度的計算結果是整體打撈難船的依據(jù),也是檢驗扳正點位置設計合理與否的重要依據(jù)。

難船扳正過程中,GHS軟件只能求解出某一階段的扭矩分布值,不能得到整個扳正過程中的扭矩值。由于GHS軟件能快速計算船舶強度,特殊工況下,可以減小扳正力的增值,模擬扳正過程中的多個階段求解扭矩,使各階段之間的差值相對較小,得到的數(shù)據(jù)盡可能詳細,所以對于打撈前期的力學估算依舊具有重要的實際意義。

4 結 語

在考慮難船浮性和穩(wěn)性的基礎上,根據(jù)打撈方案,對難船扳正過程進行力學分析,并推導出扳正過程的扳正力公式。針對船體打撈計算復雜、低效的缺點,利用GHS軟件對扳正過程進行仿真模擬,得到扳正該船舶所需的最大扳正力,特別是船舶縱向上的強度分布值,可以檢驗初始設定的扳正施力點合理性。所采用的軟件分析方法,遵循力學基本原理,對其他相似情況的船舶扳正工作均適用。

GHS軟件的計算方式是線性修正計算,沿船長方向切分的微體積單元通過線性連接以差分法計算。因此,該軟件計算簡單,所占計算機資源較少,運行速度更快。GHS軟件能實現(xiàn)逆向邏輯求解船舶穩(wěn)性狀態(tài),即給定某一船舶狀態(tài),逆向反推回去計算滿足此狀態(tài)下壓載艙、貨艙以及其他一些艙室的配載情況,這對迅速響應救助打撈工程也非常適用。

參 考 文 獻:

[1]張增猛.打撈工程[M].大連:大連海事大學出版社,2012:208-211.(ZHANG Zeng-meng.Salvage engineering[M]. Dalian:Dalian Maritime University Press,2012:208-211.(in Chinese))

[2]劉漢明,臧海鵬.沉船打撈技術設計與分析[M].青島:中國海洋大學出版社,2011:18-21.(LIU Han-ming,ZANG Haipeng.Technical design and analysis on salvage[M].Qingdao:China Ocean University Press,2011:18-21.(in Chinese))

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Calculation and analysis of righting capsized vessel based on GHS software

PAN De-wei1,LIN Cheng-xin1,SUN De-ping2,LIU Zhi-jie1,ZHOU Chao-yu1
(1.Transportation Equipment&Ocean Engineering,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China; 2.Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

The uprighting process of the capsized vessel considering the buoyancy and stability of the wreck has been studied in this paper.A model of the righting force for the wreck salvage is established according to the mechanical characteristics of the wreck.The analysis and calculation are demonstrated by the salvage module of GHS software in view of the problem of righting force programme,which needs long computing time and large amount of data input.Taking the simulation of righting a capsized ship as an example,a three-dimensional model is developed and the righting process is simulated by using GHS software.The maximum righting force and the occurring phase,angle of vanishing stability and longitudinal distribution of torque values can be obtained from the analysis.And the analysis results can play a crucial role in the uprighting process of the capsized ship.The uprighting process of the inclining ship can be simulated by using GHS software,which is suitable for making salvage schemes.

capsized vessels;wreck salvage;righting force;buoyant force and stability;GHS software

U676.6

A

1009-640X(2014)06-0078-06

2014-04-29

潘德位(1986-),男,遼寧莊河人,博士研究生,主要從事船舶救助打撈的研究。E-mail:wssrwsmt@163.com

林成新(E-mail:lchxin@dlmu.edu.cn)