“世越號”船體損傷結構強度分析

李維　段明昕　金善勤

摘 要：沉船事故或者海難的發生，需要救撈系統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，受損后的船體結構強度比較弱，需要快速有效的評估船體結構強度方法，有限元（FEA）法是分析結構強度的常用方法。本文將有限元法與含損傷船體結構強度評估相結合，為沉船打撈提供一種理論支持。

關鍵詞：有限單元法；沉船打撈；船體損傷；結構強度；評估分析；抬浮打撈

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

人類航海史上曾經多次發生沉船事故。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。對于這類大型沉船的打撈作業，一般采用整體起吊或者抬浮打撈。整體起吊作業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構強度。

有限元（FEA）直接計算方法對于沉船完整和破損結構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。南安普頓大學的杰姆斯-安德伍德在船體結構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構強度，并分析了帶有裂紋的船體結構強度。

1 帶裂縫的船體結構強度分析

1.1 裂縫模擬

英國南安普頓大學的杰姆斯-安德伍德在鋼制船體結構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構強度的影響。陳景杰在含裂紋損傷船體結構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生的裂紋，本文采用刪除裂紋處的有限元網格來模擬。裂紋示意圖如下：

1.2 邊界條件

1.2.1 約束

根據圣維南原理，遠離作用力的區域，作用力的影響很小。因此對于實際結構的有限元仿真，邊界位置離力的作用位置越遠，邊界條件對分析結果的影響越小。因此，對于本文中分析裂縫對于船體結構的影響，邊界約束取為遠離船首裂縫處的截面中性軸處，并且截面處其他節點與該約束節點剛性耦合。

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構上。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 完整船體結構強度分析

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 計算結果

由下圖可知，應力較大的區域分布于邊界條件附近，在裂縫附近并未出現較大的應力區域。

3 剖面模數法

計算船體外殼的應力時，可以將其簡化為一個船體梁，首先計算其剖面模數，然后可以得到船體外殼的應力。本文分析船體上裂縫對外殼應力的影響。因此可以采用剖面模數法來分析。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如下表：

按照上述方法計算帶有裂縫的船體板應力，其中彎矩不變，但剖面模數減小。可得到帶裂縫的船體板應力為：

根據上述計算結果可知，“世越號”船首帶裂縫的情況下，裂縫附近的應力會增大。

4 計算結果

依據“世越號”的結構圖，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（相當于船體結構加強）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。

從以上的應力云圖中可以看出船體上若出現裂紋，則裂紋附近的局部位置應力會出現峰值。

5 結論

本文以“世越號”為例，利用有限元法，分析了船體結構在存在裂紋的情況下，其周圍應力的變化，為后續的沉船打撈提供了一個有力的理論支持。

參考文獻（References）：

[1] A-man Zhang， Xue-yan Cao， Fu-ren Ming and Zhi-Fan Zhang. Investigation on a damaged ship model sinking into water based on three dimensional SPH method [J]. Applied Ocean Research Issue ，2013，45： 24-31.

[2]王道能， 胡偉東. ABAQUS在沉船打撈工程中的應用探討[C]// 第六屆中國國際救撈論壇. 2010.

[3] Underwood J. Strength assessment of damaged steel ship structures[D]. University of Southampton， 2013.

[4]陳景杰. 含裂紋損傷船體結構強度分析方法研究[D]. 大連理工大學， 2011.