沉船打撈作業時域內吊纜張力計算

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(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

在內河或淺海中進行沉船打撈作業，目前，國內外關于相關的研究主要是基于船舶靜水力計算[1-2]，研究打撈作業過程中的某個特定狀態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，考慮結合文獻[4-5]中的靜態或準靜態研究方法，使用水動力學分析軟件AQWA，基于時域響應分析方法[6]，對打撈作業中的一個過程進行時域響應分析時，計算獲得打撈作業過程中沉沒船舶的重心位移，并獲得吊纜的張力。依據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 時域響應分析方法及提升力的計算

AQWA應用一個卷積積分形式的方程描述海洋結構物的運動方程[7]。同時AQWA也能夠基于時域響應分析方法對外載荷作用下的沉船運動狀態進行數值模擬分析。依據Cummins[8]脈沖響應方法，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

在打撈作業進行過程中，沉沒于水中的船舶除了會受到環境載荷的影響之外，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為船舶質量矩陣；μij為附加質量矩陣；Lij(t-τ)為時延函數矩陣；Cij為恢復力系數矩陣；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，由頻域內的阻尼系數λij變換得到時延函數。

(2)

1.3 簡化分析及計算模型

在近海或內河的沉船打撈作業進行過程中，相對于張力腿平臺的定位系統的濕長度來說，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)當起重機收纜時，只考慮提升吊纜長度發生的變化，不考慮絞纜機內的提升鋼纜的狀態。

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，由于收攬速度較慢，船舶移動過程中是個準靜態的過程，因此，忽略風浪流對船體的的作用。針對具體的打撈作業，參考DNV規范[11]選擇鋼纜，設定參數，之后對打撈作業進行計算仿真。

2 沉船打撈作業問題分析

為了方便計算，考慮一種特殊工況：假設船舶在舷側C點開口并在該處安防吊鉤，C點與船舶做定軸轉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保持在其幾何中心上。假設船舶的重心與浮心重合。打撈作業的開始狀態示意于圖1。

圖1 打撈作業初始狀態

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，這種預報方法是一種保守的預報方法，在工程領域中應用廣泛。

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方向將AB等分為16份，則在船體舷側的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的船體上的吊點有相同的y方向坐標。以鋼纜連接起重機上的吊點與船體舷側上的吊點，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

在打撈作業進行過程中，浮吊船的吊纜張力以及沉船質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工況，分析沉沒船舶質量與浮吊船收纜速度V對鋼纜張力隨時間的變化規律影響。其中，17條吊纜速度保持一致。設置收纜速度V=0.015、0.025、0.03 m/s以及沉船質量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。經計算，鋼纜垂直于海床時的鋼纜長度為18.84 m。當鋼纜垂直于海床時，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，不同沉船質量對應的鋼纜張力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，但不同船重對應的鋼纜隨時間變化的曲線的變化趨勢是相同的。當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“突停”的狀況。

5 結論

1)當收纜速度較低時，若沉船質量一定，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定值將隨著沉船重量增加而增加，近似呈線性關系。

2)在打撈作業的同一時刻，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的變化趨勢。

3)當浮吊船的絞纜機突然收纜或突然停止時，鋼纜的張力會發生明顯的變化。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，由于收攬速度較慢，船舶移動過程中是個準靜態的過程，因此忽略了環境載荷的影響。對此，今后可以在逐一考慮上述情況的前提下，對打撈作業中的其他相關問題進行進一步研究。