基于AQWA的沉船打撈作業(yè)安全性分析*

張　明　代　路　甘　進(jìn)　李佳衛(wèi)　高曉圓

(武漢九通汽車廠裝備研究院1)　武漢　430034)　(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2)　武漢　430063)

基于AQWA的沉船打撈作業(yè)安全性分析*

張明1)代路1)甘進(jìn)2)李佳衛(wèi)2)高曉圓2)

(武漢九通汽車廠裝備研究院1)武漢430034)(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2)武漢430063)

摘要：打撈工程中，起重船舶在水上安全作業(yè)十分重要，尤其是在起吊沉船過程中.兩船與錨鏈，吊纜等在風(fēng)、浪、流的耦合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，以及吊纜、生根位置的合理配置是打撈工程的關(guān)鍵影響因素.基于多體水動(dòng)力學(xué)軟件AQWA對沉船起吊過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了1 000 t全回轉(zhuǎn)起重船在打撈沉船的過程中起重船與沉船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，提出了一種基于AQWA的沉船打撈作業(yè)安全評估方法.

關(guān)鍵詞：沉船打撈；起重船；AQWA；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

0引言

隨著長江航運(yùn)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化船型進(jìn)程的推進(jìn)，通行船舶呈現(xiàn)出噸位大型化，船型結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的趨勢.加上長江干線流速大、易淤積，尤其是三峽庫區(qū)深水大流速的等復(fù)雜打撈環(huán)境條件，給沉船打撈工作帶來較大難度和挑戰(zhàn)[1].長久以來，由于打撈設(shè)備，打撈技術(shù)，作業(yè)環(huán)境，打撈人才缺乏等多方面的原因，長江干線沉船打撈一直是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)、粗放式的作業(yè)模式，尤其是沉船結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，船舶姿態(tài)監(jiān)控，復(fù)雜打撈環(huán)境對沉船打撈的影響分析計(jì)算等都是嚴(yán)重依靠打撈人員和潛水員的經(jīng)驗(yàn)判斷，或者邊撈邊試，或者以幾倍的打撈代價(jià)參與打撈，難以達(dá)到精準(zhǔn)計(jì)算、快速高效地進(jìn)行沉船打撈的目的.

AQWA軟件在工程中的應(yīng)用十分廣泛，從單一浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)到多體耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算都有所研究.它的求解方法基于勢流理論[2]，首先求解在單位簡諧波中，船舶六自由度運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)算子RAO，再通過線性系統(tǒng)的分析方法以及頻率特性到脈沖響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，可以得到船舶在規(guī)則或者不規(guī)則波下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)[3].李宇辰等[4]以方形系數(shù)為0.7的系列60船為例，利用AQWA 計(jì)算得到的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)合理地反映了系列60船的實(shí)際耐波性能，可用于船舶波浪載荷預(yù)報(bào).胡毅等[5]應(yīng)用AQWA-DRIFT和AQWA-LINE 2個(gè)模塊，研究了大型LNG船碼頭系泊時(shí)，在風(fēng)、浪、流聯(lián)合載荷作用下船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到了LNG 船碼頭系泊時(shí)整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系纜繩所受張力.

本文著眼于對起重船起吊沉船過程中的運(yùn)動(dòng)安全性評估，基于AQWA軟件對整個(gè)過程中船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，分析數(shù)據(jù)可為吊船打撈沉船技術(shù)方案設(shè)計(jì)提供參考.

1計(jì)算流程

本文采用多體水動(dòng)力學(xué)軟件AQWA建立1 000 t起重船與沉船的三維模型，模擬打撈工程中起吊沉船的作業(yè)過程.主要應(yīng)用到AQWA-LINE與AQWA-DRIFT 2個(gè)模塊計(jì)算起重船和沉船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng).

在AQWA-LINE模塊中，計(jì)算頻域下的浮體(或潛體)在單位簡諧波下的波浪載荷以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng).在該模塊采用有限元加邊界元的方法，在船殼上劃分有限元，在有限元上布置源匯來模擬船殼的物面邊界條件，用邊界元法求解格林函數(shù)得到浮體結(jié)構(gòu)的波浪力，并且可以得到一階波浪力、二階漂移力以及物體的附加質(zhì)量、輻射阻尼等，為后續(xù)的計(jì)算提供輸入?yún)?shù).

在AQWA-DRIFT模塊中，模擬浮體(或潛體)在不規(guī)則波中實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，可以考慮波頻運(yùn)動(dòng)以及低周震蕩漂移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在此模塊下也能考慮作用在物體上的風(fēng)和流的作用以及通過懸鏈線或鉸鏈等方式考慮多個(gè)浮體(或潛體)之間的耦合作用，風(fēng)和流的模擬通過在重心上施加力與力矩來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)吊船打撈起吊作業(yè)模擬，計(jì)算流程見圖1.

圖1　基于AQWA的吊船打撈計(jì)算流程

2理論基礎(chǔ)

線性勢流理論中，對于不可壓縮的理想流體，無旋即有勢，速度勢需要滿足以下定解條件.

線性自由面條件：

在浮體的濕表面s(t)上有物面條件：

底部有邊界條件：

將總的速度勢中分出入射波部分和擾動(dòng)勢φp即

擾動(dòng)勢φp也是簡諧的，滿足疊加原理，有理由把擾動(dòng)勢分解成7個(gè)組成部分，即

式中：φj(j=1,2,…,6)為稱為輻射勢；φ7為繞射勢.

得到了上面所述的三維浮體諸輻射勢φj(j=1,2,…,6)和繞射勢φ7，用伯努利方程(只保留一階項(xiàng))可寫出作用于浮體的一階動(dòng)壓力.即

對其在物面上積分可得流體動(dòng)力(F1,F2,F3)，kN，和動(dòng)力矩(F4,F5,F6)，kN·m.

其中

式中：f0k為入射波的力(矩)，f7k為繞射力(矩)，這二者之和f0k+f7k是浮體在規(guī)則波種受到的波浪激勵(lì)力(矩)，f0k占主要成分，又稱為弗勞德-克雷洛夫力(矩)，Tkj為浮體做單位速度j態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的k方向輻射力(矩).

通過速度勢的計(jì)算不難得到浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)微分方程：

式中：Ms為結(jié)構(gòu)質(zhì)量，Ma為附加質(zhì)量，B為阻尼系數(shù)，K為水靜力剛度，F(xiàn)為波浪力.

利用線性系統(tǒng)的分析方法，頻率特性和脈沖響應(yīng)函數(shù)互為傅里葉變換，輻射問題的時(shí)域解表達(dá)形式為：

式中：vj為浮體的j態(tài)運(yùn)動(dòng)速度.

同樣得到繞射勢的是與表達(dá)形式

式中規(guī)定，x=y=0處波面起浮為η(t).

3計(jì)算模型

3.1尺度參數(shù)

表1為1 000t起重船主尺度，表2為沉船主尺度參數(shù)，分別建立2艘船的三維幾何模型.起重船吊機(jī)選取固定式尾吊最大起重能力，吊高75m.圖2為在劃分網(wǎng)格后的起重船和沉船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算模型.

船體上的質(zhì)量分布對船體在波浪中的運(yùn)動(dòng)影響很大，將船體重量的統(tǒng)計(jì)值以質(zhì)量點(diǎn)的形式加在重心位置，也可以分布多個(gè)質(zhì)量點(diǎn)來模擬載荷的分布情況，本文選擇第一種加載方式.

表1　起重船主尺度參數(shù)

表2　沉船主尺度參數(shù)

圖2　運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算模型

3.2系泊及吊纜布置

1 000 t起重船同時(shí)配備有錨泊定位與動(dòng)力定位系統(tǒng)，以應(yīng)對三峽庫區(qū)中大水深的特殊情況，如無法拋錨定位，則采取動(dòng)力定位.在較淺水深區(qū)域作業(yè)時(shí)可以以錨泊定位為主，輔助以動(dòng)力定位.本文中計(jì)算水深取60 m，不考慮動(dòng)力定位的作用.圖3為起重船錨泊定位布置圖.表3為所設(shè)置的錨鏈參數(shù).

圖3　起重機(jī)系泊布置

參數(shù)數(shù)值材料鋼纜長度/m215等效截面積/m20.01自重/(kg·m-1)150剛度EA/kN600000

在實(shí)際的打撈作業(yè)中，沉船的重量重心往往是比較難以獲取到的信息，主要由于沉船在水中的情況不明，水下探測的作業(yè)難度大，精度差，加上一些船舶不規(guī)范的運(yùn)營或改裝，使得可搜集的資料不完全、不準(zhǔn)確，使得打撈作業(yè)難以開展.沉船重量重心往往也是通過估算獲得，精度不高.在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，可以輸入估算的重量重心位置，在計(jì)算機(jī)中模擬起吊的過程，從而對沉船上的生根位置進(jìn)行調(diào)整.本文中將起重船的起吊掛鉤位置垂直置于沉船重心上方.本例中起吊前沉船的狀態(tài)為正坐于水底，4根吊纜對稱布置在重心位置的兩側(cè)，見圖4.沉船生根位置到吊鉤的直線距離為140 m，即吊纜的長度，選擇剛度為500 kN·m-1的線彈性繩進(jìn)行模擬.

圖4　沉船起吊吊纜布置

3.3計(jì)算工況及環(huán)境參數(shù)

本計(jì)算所去的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷參數(shù)見表4.其中，選擇不規(guī)則PM波譜模擬波浪環(huán)境，選擇的波浪參數(shù)偏于危險(xiǎn)情況風(fēng)浪流的方向?yàn)?80°表示沿船首指向船尾，90°則表示垂直于船長方向作用在船側(cè)，以下工況分別計(jì)算風(fēng)浪流沿縱向作用與橫向作用兩種情況.

通常情況下被打撈的船只、物品都是沉坐在水底，打撈力除了需要克服其自身水中重量以外，還需要克服泥沙對沉船的吸附力，吸附力的大小和作用點(diǎn)與沉船水中重量、船體與水底泥沙的接觸面積、形狀、坐沉?xí)r間、底質(zhì)性質(zhì)等因素有關(guān)，十分復(fù)雜，無法進(jìn)行精確計(jì)算.在實(shí)際工程中往往簡化認(rèn)為吸附力與沉船水中重量成正比，以吸附力系數(shù)的形式添加到沉船水中重量中，以此進(jìn)行打撈力的計(jì)算，吸附力系數(shù)同時(shí)也與水底底質(zhì)有關(guān).根據(jù)調(diào)研資料，取吸附力系數(shù)10%.

整個(gè)打撈起吊過程的模擬分為3個(gè)階段，沉底階段、起吊階段、出水階段.沉底階段中沉船的水中重量為另兩個(gè)階段重量的110%.

表4　環(huán)境載荷參數(shù)

4計(jì)算結(jié)果

4.1頻域計(jì)算

研究表明，不規(guī)則的海浪可以簡化為無數(shù)多個(gè)頻率、方向和波幅不同的簡諧波的疊加，可視為均值為零的正太隨機(jī)過程.頻域分析就是為了計(jì)算出浮體在不同頻率、方向的單位波高簡諧波種的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，根據(jù)線性疊加原理，即可計(jì)算出在不規(guī)則波、各波高中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng).對于本文中的起重船，起吊位置在船尾部，起吊過程的縱搖響應(yīng)以及在橫向外載荷作用下的橫搖響應(yīng)值得著重關(guān)注.

圖5為各浪向下起重船橫搖幅值響應(yīng)算子，圖6為縱搖幅值響應(yīng)算子.圖中，對橫搖響應(yīng)最大的浪向?yàn)?0°，即波浪垂直于船長方向，在波頻為0.137 Hz(圓頻率即為0.863 rad/s)時(shí)出現(xiàn)峰值，此時(shí)根據(jù)微幅波理論，此時(shí)的水深處于深水情況，易求得此危險(xiǎn)工況的波長為82.8m，波浪周期約為7.28 s.

圖5　橫搖幅值響應(yīng)算子

圖6　縱搖幅值響應(yīng)算子

而當(dāng)起重船與來浪呈180°或135°，即迎浪作業(yè)與迎浪45°時(shí)，縱搖響應(yīng)最大，根據(jù)上式，135°時(shí)波頻為0.124 Hz(圓頻率0.778 rad/s)，此時(shí)波長為101.8 m，周期為8.07 s.180°時(shí)波頻為0.097 Hz(圓頻率0.609 rad/s)，此時(shí)波長為166 m，周期為10.32 s.

4.2時(shí)域計(jì)算

在時(shí)域計(jì)算中考慮系泊、吊纜、風(fēng)浪流以及兩艘船之間的耦合作用，得到兩艘船的六自由度的運(yùn)動(dòng)，通過統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)程曲線，提取運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值、頻率等信息，對起重船的安全性加以評估.圖7為耦合作用下吊船打撈作業(yè)時(shí)域計(jì)算模型.

圖7　吊船打撈時(shí)域計(jì)算模型

通過對打撈過程的時(shí)域分析，分別得出起重船和沉船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線.圖8為浪向角180°時(shí)沉船在起吊狀態(tài)下的橫搖響應(yīng)時(shí)間歷程曲線(此時(shí)對沉船為橫向載荷).由于起重船尾吊作業(yè)，起吊過程中將產(chǎn)生較大幅度的縱搖與縱蕩，而當(dāng)起重船受橫向外載荷作用時(shí)，橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，而橫蕩運(yùn)動(dòng)雖受低頻二階慢漂力影響較大[6]，但有錨鏈提供恢復(fù)力，不作為考察重點(diǎn).

圖8　沉船起吊工況下受縱向外載荷的橫搖響應(yīng)時(shí)程曲線

將沉船與起重船在三種起吊狀態(tài)、兩種外載荷方向下的垂蕩、橫搖以及縱搖的時(shí)間歷程曲線進(jìn)行匯總，提取運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的幅值整理于表5，表6.

通過分析比較沉船與起重船在三種起吊狀態(tài)、兩種外載荷方向下的垂蕩、橫搖以及縱搖的時(shí)間歷程曲線及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值可知：

1) 在每一個(gè)工況下，起重船的橫搖響應(yīng)的極值的絕對值十分相近，也就是說起重船在正浮位置左右橫搖震蕩，可見掛鉤受力位置在起重船中縱線上，沒有產(chǎn)生橫傾的力矩.而垂蕩與縱搖的幅值相差較大，縱搖幅值最為明顯，可見尾吊作業(yè)導(dǎo)致了起重船產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的尾傾，在此尾傾角度附近產(chǎn)生縱搖震蕩，尾傾在1°～3°，沉底與出水階段的尾傾最大，這2個(gè)工況為最不利工況，應(yīng)在打撈過程中予以重視.

表5　起重船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值匯總

表6　沉船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值匯總

2) 起重船與沉船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均會受外載荷方向的不同而變化，起重船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)明顯小于沉船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，說明在實(shí)際吊船打撈施工中為保證整個(gè)沉船起吊過程的安全性重點(diǎn)之一是采取相應(yīng)措施控制沉船在打撈過程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng).

5結(jié) 束 語

本文基于AQWA軟件對1 000 t全回轉(zhuǎn)起重船尾吊打撈某沉船進(jìn)行仿真計(jì)算，考慮兩船與風(fēng)、浪、流、系纜以及吊纜之間的耦合作用，選取了沉底、起吊、出水3種工況，進(jìn)行了頻域與時(shí)域的分析.驗(yàn)證了應(yīng)用AQWA軟件開展沉船吊船打撈計(jì)算和分析的可行性，并提出了一套基于AQWA的吊船打撈起重船和沉船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算方法，可為打撈工程中吊船打撈方案設(shè)計(jì)和制定提供有利的依據(jù).

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王兵．長江航道局三峽庫區(qū)應(yīng)急搶險(xiǎn)打撈起重船建設(shè)方案研究[J]．中國水運(yùn)(下半月)，2014(1)：51-56.

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Safety Analysis of Shipwreck Salvage Operations Based on AQWA

ZHANG Ming1)DAI Lu1)GAN Jin2)LI Jiawei2)GAO Xiaoyuan2)

(WuhanJiutongCarFactory,EquipmentResearchInstitute,Wuhan430034,China)1)(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063，China)2)

Abstract：The security of crane ship is very important n the process of salvage, especially in lifting shipwrecks. The motion response of crane ship, shipwrecks, anchor chains and lifting ropes associated with wind, wave and current and the arrangement of ropes and roots have significant contribution to wreck salvage. The process of a shipwreck salvaged by a 1000 t fully swing crane ship is simulated by using hydrodynamics software AQWA. The motion responses of crane ship and shipwreck are obtained, and a security evaluation method of ship-sunken salvage process is put forward.

Key words：ship-sunken salvage; crane ship; AQWA; motion response

收稿日期：2016-03-12

中圖法分類號：U674.35

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.015

張明(1977- )：男，助理工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)安全可靠性

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2013-IV-069)