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        沉船打撈作業(yè)時域內吊纜張力計算

        2018-08-27 08:29:44,
        船海工程 2018年4期
        關鍵詞:船舶作業(yè)

        ,

        (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(yè),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(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,考慮結合文獻[4-5]中的靜態(tài)或準靜態(tài)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(yè)中的一個過程進行時域響應分析時,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(tài)進行數(shù)值模擬分析。依據(jù)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(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為船舶質量矩陣;μij為附加質量矩陣;Lij(t-τ)為時延函數(shù)矩陣;Cij為恢復力系數(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(shù)λij變換得到時延函數(shù)。

        (2)

        1.3 簡化分析及計算模型

        在近海或內河的沉船打撈作業(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(fā)生的變化,不考慮絞纜機內的提升鋼纜的狀態(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靜態(tài)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(yè),參考DNV規(guī)范[11]選擇鋼纜,設定參數(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(xù)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(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(yè)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(yè)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(guī)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(jīng)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(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?!钡臓顩r。

        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(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(fā)生明顯的變化。在絞纜機“突?!睍r,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(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)中的其他相關問題進行進一步研究。

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