“世越號(hào)”船體損傷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

李維　段明昕　金善勤

摘 要：沉船事故或者海難的發(fā)生，需要救撈系統(tǒng)快速制訂出一套有效的沉船救助或者打撈方案。對(duì)于某些大型沉船的打撈，采用整體起吊的方式打撈，由于自身重量較大，起吊時(shí)，鋼纜會(huì)損傷船體，受損后的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較弱，需要快速有效的評(píng)估船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方法，有限元（FEA）法是分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的常用方法。本文將有限元法與含損傷船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估相結(jié)合，為沉船打撈提供一種理論支持。

關(guān)鍵詞：有限單元法；沉船打撈；船體損傷；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；評(píng)估分析；抬浮打撈

中圖分類號(hào)：U663 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）07-0010-03

人類航海史上曾經(jīng)多次發(fā)生沉船事故。沉船事故不僅會(huì)造成人員傷亡、船舶損壞，更會(huì)造成航道阻塞，影響過往船只通行。因此對(duì)于遇難船只的打撈是很有必要的。對(duì)于某些打撈工程項(xiàng)目，需要考慮人性化打撈，最大限度地保存沉船原狀，如：交通運(yùn)輸部上海打撈局對(duì)“世越號(hào)”的打撈作業(yè)。對(duì)于這類大型沉船的打撈作業(yè)，一般采用整體起吊或者抬浮打撈。整體起吊作業(yè)方式或者抬浮方式都需起吊鋼纜或托底鋼梁與主船體接觸，如圖1，因此有必要知道船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

有限元（FEA）直接計(jì)算方法對(duì)于沉船完整和破損結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算是一種非常有效的計(jì)算方法。王道能等人利用有限元分析軟件具體求解了”暢通”打撈工程中一艘駁船甲板受300t載荷作用的問題。顯然，這種有限元計(jì)算可以為打撈項(xiàng)目提供一個(gè)有效的理論支持。南安普頓大學(xué)的杰姆斯-安德伍德在船體結(jié)構(gòu)損傷強(qiáng)度評(píng)估一文中就利用有限元分析軟件計(jì)算了帶裂紋的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并分析了帶有裂紋的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1 帶裂縫的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

1.1 裂縫模擬

英國(guó)南安普頓大學(xué)的杰姆斯-安德伍德在鋼制船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損傷評(píng)估一文中采用損傷面積比例來探討裂紋大小對(duì)加筋板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。陳景杰在含裂紋損傷船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法研究一文中采用裂紋最大張口位移來模擬了裂紋大小。對(duì)于“世越號(hào)”船體上由于起吊船首時(shí)產(chǎn)生的裂紋，本文采用刪除裂紋處的有限元網(wǎng)格來模擬。裂紋示意圖如下：

1.2 邊界條件

1.2.1 約束

根據(jù)圣維南原理，遠(yuǎn)離作用力的區(qū)域，作用力的影響很小。因此對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元仿真，邊界位置離力的作用位置越遠(yuǎn)，邊界條件對(duì)分析結(jié)果的影響越小。因此，對(duì)于本文中分析裂縫對(duì)于船體結(jié)構(gòu)的影響，邊界約束取為遠(yuǎn)離船首裂縫處的截面中性軸處，并且截面處其他節(jié)點(diǎn)與該約束節(jié)點(diǎn)剛性耦合。

1.2.2 載荷

“世越號(hào)”打撈工程在船首起吊過程中，3#和4#吊索及其與船體相互之間的位置示意圖如下圖所示。船體自身重力以分布力的方式加載到船體結(jié)構(gòu)上。下圖中吊索的吊力大小是通過船體重量重心分布曲線計(jì)算得到：

2 完整船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 邊界條件

對(duì)于“世越號(hào)”的起吊過程，可以近似簡(jiǎn)化為一個(gè)靜態(tài)的過程。托底鋼梁可以簡(jiǎn)化為船體的簡(jiǎn)支邊界條件。船體自身的重量以分布力重力的方式加載，其中加載于“世越號(hào)”上的重力根據(jù)計(jì)算好的重量分布曲線得到。邊界條件和力的加載示意圖如圖5所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果

由下圖可知，應(yīng)力較大的區(qū)域分布于邊界條件附近，在裂縫附近并未出現(xiàn)較大的應(yīng)力區(qū)域。

3 剖面模數(shù)法

計(jì)算船體外殼的應(yīng)力時(shí)，可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)船體梁，首先計(jì)算其剖面模數(shù)，然后可以得到船體外殼的應(yīng)力。本文分析船體上裂縫對(duì)外殼應(yīng)力的影響。因此可以采用剖面模數(shù)法來分析。計(jì)算彎矩為：M=29739.89tfm，計(jì)算剪力為：N=1220.025tf。計(jì)算“世越號(hào)”裂縫附近橫剖面的剖面模數(shù)如下表：

按照上述方法計(jì)算帶有裂縫的船體板應(yīng)力，其中彎矩不變，但剖面模數(shù)減小?？傻玫綆Я芽p的船體板應(yīng)力為：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，“世越號(hào)”船首帶裂縫的情況下，裂縫附近的應(yīng)力會(huì)增大。

4 計(jì)算結(jié)果

依據(jù)“世越號(hào)”的結(jié)構(gòu)圖，并且選取合適的有限元單元。建立“世越號(hào)”船首有限元模型如圖5所示。對(duì)于船體上裝有護(hù)角（相當(dāng)于船體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)）的地方，船體外殼板厚取為30mm；對(duì)于沒有裝護(hù)角的地方，船體外殼厚度取為原來船殼厚度。

從以上的應(yīng)力云圖中可以看出船體上若出現(xiàn)裂紋，則裂紋附近的局部位置應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)峰值。

5 結(jié)論

本文以“世越號(hào)”為例，利用有限元法，分析了船體結(jié)構(gòu)在存在裂紋的情況下，其周圍應(yīng)力的變化，為后續(xù)的沉船打撈提供了一個(gè)有力的理論支持。

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