“世越號”船體損傷結(jié)構(gòu)強度分析

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，鋼纜會損傷船體，受損后的船體結(jié)構(gòu)強度比較弱，需要快速有效的評估船體結(jié)構(gòu)強度方法，有限元（FEA）法是分析結(jié)構(gòu)強度的常用方法。本文將有限元法與含損傷船體結(jié)構(gòu)強度評估相結(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)強度；評估分析；抬浮打撈

中圖分類號：U663 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0010-03

人類航海史上曾經(jīng)多次發(fā)生沉船事故。沉船事故不僅會造成人員傷亡、船舶損壞，更會造成航道阻塞，影響過往船只通行。因此對于遇難船只的打撈是很有必要的。對于某些打撈工程項目，需要考慮人性化打撈，最大限度地保存沉船原狀，如：交通運輸部上海打撈局對“世越號”的打撈作業(yè)。對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)強度。

有限元（FEA）直接計算方法對于沉船完整和破損結(jié)構(gòu)強度的計算是一種非常有效的計算方法。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，這種有限元計算可以為打撈項目提供一個有效的理論支持。南安普頓大學(xué)的杰姆斯-安德伍德在船體結(jié)構(gòu)損傷強度評估一文中就利用有限元分析軟件計算了帶裂紋的船體結(jié)構(gòu)強度，并分析了帶有裂紋的船體結(jié)構(gòu)強度。

1 帶裂縫的船體結(jié)構(gòu)強度分析

1.1 裂縫模擬

英國南安普頓大學(xué)的杰姆斯-安德伍德在鋼制船體結(jié)構(gòu)強度損傷評估一文中采用損傷面積比例來探討裂紋大小對加筋板的結(jié)構(gòu)強度的影響。陳景杰在含裂紋損傷船體結(jié)構(gòu)強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。對于“世越號”船體上由于起吊船首時產(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，遠離作用力的區(qū)域，作用力的影響很小。因此對于實際結(jié)構(gòu)的有限元仿真，邊界位置離力的作用位置越遠，邊界條件對分析結(jié)果的影響越小。因此，對于本文中分析裂縫對于船體結(jié)構(gòu)的影響，邊界約束取為遠離船首裂縫處的截面中性軸處，并且截面處其他節(jié)點與該約束節(jié)點剛性耦合。

1.2.2 載荷

“世越號”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算得到：

2 完整船體結(jié)構(gòu)強度分析

2.1 邊界條件

對于“世越號”的起吊過程，可以近似簡化為一個靜態(tài)的過程。托底鋼梁可以簡化為船體的簡支邊界條件。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”上的重力根據(jù)計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

計算船體外殼的應(yīng)力時，可以將其簡化為一個船體梁，首先計算其剖面模數(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外殼應(yīng)力的影響。因此可以采用剖面模數(shù)法來分析。計算彎矩為：M=29739.89tfm，計算剪力為：N=1220.025tf。計算“世越號”裂縫附近橫剖面的剖面模數(shù)如下表：

按照上述方法計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。可得到帶裂縫的船體板應(yīng)力為：

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

4 計算結(jié)果

依據(jù)“世越號”的結(jié)構(gòu)圖，并且選取合適的有限元單元。建立“世越號”船首有限元模型如圖5所示。對于船體上裝有護角（相當(dāng)于船體結(jié)構(gòu)加強）的地方，船體外殼板厚取為30mm；對于沒有裝護角的地方，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)力會出現(xiàn)峰值。

5 結(jié)論

本文以“世越號”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有力的理論支持。

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