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(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

在内河或浅海中进行沉船打捞作业，目前，国内外关于相关的研究主要是基于船舶静水力计算[1-2]，研究打捞作业过程中的某个特定状态下船舶的扶正力矩及吊缆缆力，未见涉及打捞过程中的吊缆张力计算[3]。为此，考虑结合文献[4-5]中的静态或准静态研究方法，使用水动力学分析软件AQWA，基于时域响应分析方法[6]，对打捞作业中的一个过程进行时域响应分析时，计算获得打捞作业过程中沉没船舶的重心位移，并获得吊缆的张力。依据不同沉船船重及不同收缆速度时的吊缆张力随时间变化的曲线，分析打捞作业的一个过程中，沉船船重以及收缆速度对钢缆张力的影响。

1 理论概述

1.1 时域响应分析方法及提升力的计算

AQWA应用一个卷积积分形式的方程描述海洋结构物的运动方程[7]。同时AQWA也能够基于时域响应分析方法对外载荷作用下的沉船运动状态进行数值模拟分析。依据Cummins[8]脉冲响应方法，认为沉船在某一时刻的运动是多个瞬时脉冲运动的叠加。这样，时域分析就可看成是频域分析的叠加。

1.2 时域运动方程

在打捞作业进行过程中，沉没于水中的船舶除了会受到环境载荷的影响之外，还将受到吊缆对船舶的提升力和海床对船舶的作用力[9]，因此，沉没于水中的船舶在外载荷作用下的时域运动方程可以表示为

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

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

式中：mij为船舶质量矩阵；μij为附加质量矩阵；Lij(t-τ)为时延函数矩阵；Cij为恢复力系数矩阵；Fwa(1)为一阶波浪力；Fwa(2)为二阶波浪力；Fwi为船舶所受风力；FCU为船舶所受流力；Fli为吊缆对船舶的提升力；Fs为海床对船舶的作用力。

通过傅里叶变换，由频域内的阻尼系数λij变换得到时延函数。

(2)

1.3 简化分析及计算模型

在近海或内河的沉船打捞作业进行过程中，相对于张力腿平台的定位系统的湿长度来说，浮吊船的吊缆在水下的湿长度是小量[10]。同时，提升过程中的吊缆的重量相对于沉船及浮吊船的重量也是小量，并且是绷紧的。因此，对等式(1)当中的提升力Fli一项进行简化。

1)忽略提升缆自身的重量，将一条提升缆对应简化为一条直线。

2)流体(即淡水或海水)对提升缆没有拖拽力。

3)当起重机收缆时，只考虑提升吊缆长度发生的变化，不考虑绞缆机内的提升钢缆的状态。

4)忽略座底吸附力对打捞的影响。

若在良好海况下进行打捞作业，由于收揽速度较慢，船舶移动过程中是个准静态的过程，因此，忽略风浪流对船体的的作用。针对具体的打捞作业，参考DNV规范[11]选择钢缆，设定参数，之后对打捞作业进行计算仿真。

2 沉船打捞作业问题分析

为了方便计算，考虑一种特殊工况：假设船舶在舷侧C点开口并在该处安防吊钩，C点与船舶做定轴转动时的支点的连线恰好通过船舶的重心。船舶在破损后，其浮心不一定能够继续保持在其几何中心上。假设船舶的重心与浮心重合。打捞作业的开始状态示意于图1。

图1 打捞作业初始状态

假定打捞过程中吊点P固定不动，那么在打捞过程中，原来的浮吊船的动能将由一部分转化为吊缆的弹性势能。这种情况下计算获得的吊缆缆力将大于实际的缆力，这种预报方法是一种保守的预报方法，在工程领域中应用广泛。

3 有限元建模及计算

3.1 建立模型

算例船舶总长为78.5 m，形状为直五棱柱，棱柱横截面尺寸与沉没船舶的中横剖面尺寸相同。该船舶倒扣并浸没于水中，水深8 m，因此，倒扣于水中的船舶的船底距离水面高度为2 m(假设海床或河床平整)，船体及吊点布置见图2，有限元模型见图3。

图2 倾覆船舶吊点布置示意

图3 倾覆船舶有限元模型

沿船长y方向将AB等分为16份，则在船体舷侧的AB边上可以布置17个吊点。浮吊船上起重机吊点在船底的正上方，吊点距离水面的垂直距离为20 m，起重机吊点为17个。为了保证该打捞问题可以简化为平面问题，起重机吊点和与之对应的船体上的吊点有相同的y方向坐标。以钢缆连接起重机上的吊点与船体舷侧上的吊点，钢缆初始长度为25.5 m，其拉伸模量为210 GPa。

3.2 吊缆张力及船舶重心位移的计算

在打捞作业进行过程中，浮吊船的吊缆张力以及沉船质心的位移将有可能受到多因素的影响，选择低速绞缆时的打捞作业工况，分析沉没船舶质量与浮吊船收缆速度V对钢缆张力随时间的变化规律影响。其中，17条吊缆速度保持一致。设置收缆速度V=0.015、0.025、0.03 m/s以及沉船质量m=400 t、600 t、800 t，1 000 t、1 200 t。钢缆收缆时间从第0 s开始，至钢缆垂直于海床为止。经计算，钢缆垂直于海床时的钢缆长度为18.84 m。当钢缆垂直于海床时，起重机停止收缆。

计算时间t为0～1 200 s，收缆速度分别为0.015、0.025、0.030 m/s时，不同沉船质量对应的钢缆张力F随时间的变化见图4。

由图4可知，在打捞沉没船舶过程中，收缆速度会影响缆力达到稳定值的时间。此外，船舶的重量增加时，吊缆张力也将增加，但不同船重对应的钢缆随时间变化的曲线的变化趋势是相同的。当绞缆机开始或停止收缆时，钢缆张力会突然增加；停车时吊缆突变情况见图5。

图4 吊缆张力随时间的变化

图5 吊缆张力变化局部放大

图5表明，吊缆绞车停机时，钢缆张力增加特别明显，因此在打捞过程中需要考虑到“突停”的状况。

5 结论

1)当收缆速度较低时，若沉船质量一定，则不同的收缆速度对浮吊船停止收缆之后的钢缆张力的稳定值无明显的影响；若浮吊船收缆速度一定，则浮吊船收缆之后的钢缆张力的稳定值将随着沉船重量增加而增加，近似呈线性关系。

2)在打捞作业的同一时刻，浮吊船钢缆张力将随沉船重量的增加而增加。沉船重量只改变钢缆张力的大小，不影响钢缆张力在时域内的变化趋势。

3)当浮吊船的绞缆机突然收缆或突然停止时，钢缆的张力会发生明显的变化。在绞缆机“突停”时，浮吊船的吊缆张力会达到最大值。因此在对打捞钢缆进行选型时，需要考虑“突停”的情况，加粗钢缆尺寸。

计算时采用了一些假设，由于收揽速度较慢，船舶移动过程中是个准静态的过程，因此忽略了环境载荷的影响。对此，今后可以在逐一考虑上述情况的前提下，对打捞作业中的其他相关问题进行进一步研究。