沉船打撈作業(yè)時域內(nèi)吊纜張力計算

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(武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064)

在內(nèi)河或淺海中進行沉船打撈作業(yè)，目前，國內(nèi)外關(guān)于相關(guān)的研究主要是基于船舶靜水力計算[1-2]，研究打撈作業(yè)過程中的某個特定狀態(tài)下船舶的扶正力矩及吊纜纜力，未見涉及打撈過程中的吊纜張力計算[3]。為此，考慮結(jié)合文獻[4-5]中的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)研究方法，使用水動力學(xué)分析軟件AQWA，基于時域響應(yīng)分析方法[6]，對打撈作業(yè)中的一個過程進行時域響應(yīng)分析時，計算獲得打撈作業(yè)過程中沉沒船舶的重心位移，并獲得吊纜的張力。依據(jù)不同沉船船重及不同收纜速度時的吊纜張力隨時間變化的曲線，分析打撈作業(yè)的一個過程中，沉船船重以及收纜速度對鋼纜張力的影響。

1 理論概述

1.1 時域響應(yīng)分析方法及提升力的計算

AQWA應(yīng)用一個卷積積分形式的方程描述海洋結(jié)構(gòu)物的運動方程[7]。同時AQWA也能夠基于時域響應(yīng)分析方法對外載荷作用下的沉船運動狀態(tài)進行數(shù)值模擬分析。依據(jù)Cummins[8]脈沖響應(yīng)方法，認為沉船在某一時刻的運動是多個瞬時脈沖運動的疊加。這樣，時域分析就可看成是頻域分析的疊加。

1.2 時域運動方程

在打撈作業(yè)進行過程中，沉沒于水中的船舶除了會受到環(huán)境載荷的影響之外，還將受到吊纜對船舶的提升力和海床對船舶的作用力[9]，因此，沉沒于水中的船舶在外載荷作用下的時域運動方程可以表示為

Fwa(1)(t)+Fwa(2)(t)+Fwi(t)+FCU(t)+

Fli(t)+Fs(t) (1)

式中：mij為船舶質(zhì)量矩陣；μij為附加質(zhì)量矩陣；Lij(t-τ)為時延函數(shù)矩陣；Cij為恢復(fù)力系數(shù)矩陣；Fwa(1)為一階波浪力；Fwa(2)為二階波浪力；Fwi為船舶所受風(fēng)力；FCU為船舶所受流力；Fli為吊纜對船舶的提升力；Fs為海床對船舶的作用力。

通過傅里葉變換，由頻域內(nèi)的阻尼系數(shù)λij變換得到時延函數(shù)。

(2)

1.3 簡化分析及計算模型

在近?；騼?nèi)河的沉船打撈作業(yè)進行過程中，相對于張力腿平臺的定位系統(tǒng)的濕長度來說，浮吊船的吊纜在水下的濕長度是小量[10]。同時，提升過程中的吊纜的重量相對于沉船及浮吊船的重量也是小量，并且是繃緊的。因此，對等式(1)當(dāng)中的提升力Fli一項進行簡化。

1)忽略提升纜自身的重量，將一條提升纜對應(yīng)簡化為一條直線。

2)流體(即淡水或海水)對提升纜沒有拖拽力。

3)當(dāng)起重機收纜時，只考慮提升吊纜長度發(fā)生的變化，不考慮絞纜機內(nèi)的提升鋼纜的狀態(tài)。

4)忽略座底吸附力對打撈的影響。

若在良好海況下進行打撈作業(yè)，由于收攬速度較慢，船舶移動過程中是個準(zhǔn)靜態(tài)的過程，因此，忽略風(fēng)浪流對船體的的作用。針對具體的打撈作業(yè)，參考DNV規(guī)范[11]選擇鋼纜，設(shè)定參數(shù)，之后對打撈作業(yè)進行計算仿真。

2 沉船打撈作業(yè)問題分析

為了方便計算，考慮一種特殊工況：假設(shè)船舶在舷側(cè)C點開口并在該處安防吊鉤，C點與船舶做定軸轉(zhuǎn)動時的支點的連線恰好通過船舶的重心。船舶在破損后，其浮心不一定能夠繼續(xù)保持在其幾何中心上。假設(shè)船舶的重心與浮心重合。打撈作業(yè)的開始狀態(tài)示意于圖1。

圖1 打撈作業(yè)初始狀態(tài)

假定打撈過程中吊點P固定不動，那么在打撈過程中，原來的浮吊船的動能將由一部分轉(zhuǎn)化為吊纜的彈性勢能。這種情況下計算獲得的吊纜纜力將大于實際的纜力，這種預(yù)報方法是一種保守的預(yù)報方法，在工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

3 有限元建模及計算

3.1 建立模型

算例船舶總長為78.5 m，形狀為直五棱柱，棱柱橫截面尺寸與沉沒船舶的中橫剖面尺寸相同。該船舶倒扣并浸沒于水中，水深8 m，因此，倒扣于水中的船舶的船底距離水面高度為2 m(假設(shè)海床或河床平整)，船體及吊點布置見圖2，有限元模型見圖3。

圖2 傾覆船舶吊點布置示意

圖3 傾覆船舶有限元模型

沿船長y方向?qū)B等分為16份，則在船體舷側(cè)的AB邊上可以布置17個吊點。浮吊船上起重機吊點在船底的正上方，吊點距離水面的垂直距離為20 m，起重機吊點為17個。為了保證該打撈問題可以簡化為平面問題，起重機吊點和與之對應(yīng)的船體上的吊點有相同的y方向坐標(biāo)。以鋼纜連接起重機上的吊點與船體舷側(cè)上的吊點，鋼纜初始長度為25.5 m，其拉伸模量為210 GPa。

3.2 吊纜張力及船舶重心位移的計算

在打撈作業(yè)進行過程中，浮吊船的吊纜張力以及沉船質(zhì)心的位移將有可能受到多因素的影響，選擇低速絞纜時的打撈作業(yè)工況，分析沉沒船舶質(zhì)量與浮吊船收纜速度V對鋼纜張力隨時間的變化規(guī)律影響。其中，17條吊纜速度保持一致。設(shè)置收纜速度V=0.015、0.025、0.03 m/s以及沉船質(zhì)量m=400 t、600 t、800 t，1 000 t、1 200 t。鋼纜收纜時間從第0 s開始，至鋼纜垂直于海床為止。經(jīng)計算，鋼纜垂直于海床時的鋼纜長度為18.84 m。當(dāng)鋼纜垂直于海床時，起重機停止收纜。

計算時間t為0～1 200 s，收纜速度分別為0.015、0.025、0.030 m/s時，不同沉船質(zhì)量對應(yīng)的鋼纜張力F隨時間的變化見圖4。

由圖4可知，在打撈沉沒船舶過程中，收纜速度會影響纜力達到穩(wěn)定值的時間。此外，船舶的重量增加時，吊纜張力也將增加，但不同船重對應(yīng)的鋼纜隨時間變化的曲線的變化趨勢是相同的。當(dāng)絞纜機開始或停止收纜時，鋼纜張力會突然增加；停車時吊纜突變情況見圖5。

圖4 吊纜張力隨時間的變化

圖5 吊纜張力變化局部放大

圖5表明，吊纜絞車停機時，鋼纜張力增加特別明顯，因此在打撈過程中需要考慮到“突?！钡臓顩r。

5 結(jié)論

1)當(dāng)收纜速度較低時，若沉船質(zhì)量一定，則不同的收纜速度對浮吊船停止收纜之后的鋼纜張力的穩(wěn)定值無明顯的影響；若浮吊船收纜速度一定，則浮吊船收纜之后的鋼纜張力的穩(wěn)定值將隨著沉船重量增加而增加，近似呈線性關(guān)系。

2)在打撈作業(yè)的同一時刻，浮吊船鋼纜張力將隨沉船重量的增加而增加。沉船重量只改變鋼纜張力的大小，不影響鋼纜張力在時域內(nèi)的變化趨勢。

3)當(dāng)浮吊船的絞纜機突然收纜或突然停止時，鋼纜的張力會發(fā)生明顯的變化。在絞纜機“突停”時，浮吊船的吊纜張力會達到最大值。因此在對打撈鋼纜進行選型時，需要考慮“突停”的情況，加粗鋼纜尺寸。

計算時采用了一些假設(shè)，由于收攬速度較慢，船舶移動過程中是個準(zhǔn)靜態(tài)的過程，因此忽略了環(huán)境載荷的影響。對此，今后可以在逐一考慮上述情況的前提下，對打撈作業(yè)中的其他相關(guān)問題進行進一步研究。