摘? ? 要：本文通過對沉船《夏長》輪打撈的扳正過程分析，對提供主要扳正力的扳正駁船的結(jié)構進行改裝設計，并利用有限元方法進行分析計算。根據(jù)計算結(jié)果，對扳正駁船船體結(jié)構、扳正液壓千斤頂基座及導向輪基座提出設計優(yōu)化建議，為以后類似船舶結(jié)構改裝提供參考。

關鍵詞：打撈;沉船扳正;結(jié)構改裝;有限元分析

中圖分類號：U676.62 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Structural Modification and Analysis of Righting Barge for TRANS SUMMER Salvage

LI Jun

（ Guangzhou Salvage， Guangzhou 510260 ）

Abstract： In this paper， the 3D finite element method is applied for the structural modification design and analysis of the righting barge after analyzing the righting operation of TRANS SUMMER salvage. The suggestions for the modification of vessels structure and the righting equipments foundations are made according to the results of the finite element analysis and the reference for similar project is provided according to the results of structural analysis.

Key words： Salvage; Wreck righting; Structural modification; Finite element method

1? ? 概述

沉船整體打撈的兩大關鍵點是沉船的扳正與整體起浮。沉船的扳正通常是利用外部回復力矩與內(nèi)部回復力矩將沉船從較大的橫傾角度，扳正至適合進行整體起浮的橫傾角度（通常小于10°）。

在沉船打撈過程中，大噸位大傾度沉船的扳正是打撈工程技術上的難題。扳正過程中載荷及工況的變化多樣，提供扳正力的方式也多種多樣，且大噸位沉船扳正所需扳正力大，僅通過常用的浮吊提供扳正力矩難以使沉船回正，需要額外的扳正駁船提供更多的扳正力矩，但這對扳正駁船的結(jié)構強度要求較高。

本文重點分析扳正船舶的結(jié)構改裝及強度，并以《夏長》輪打撈工程中使用的15 000 t扳正駁船《重任1500》為例，采用有限元分析方法，根據(jù)中國船級社（CCS）規(guī)范要求，對該扳正駁船上14套液壓千斤頂拉力裝置安裝處的船體甲板和基座結(jié)構進行改裝設計優(yōu)化及局部強度計算。

2? ?扳正駁船基本情況及模型

2.1 基本情況

受2013年第11號強臺風“尤特”影響，57 000t散貨船《夏長》輪于2013年8月14日在珠江口小萬山島偏南方向約1.2 nm海域沉沒，沉沒時貨艙滿載54750 t鎳礦。《夏長》輪主尺度為：LOA×LBP×B×D=189.99×185.00×32.26×18.00 m;船舶沉態(tài)為首向170°、左傾104°、尾傾2°，沉船海域水深約22 m，低潮時右舷側(cè)全部露出水面約2.5 m。

該沉船整體打撈總體思路：首先是先扳正沉船至左傾10°以內(nèi)，然后再進行整體起浮。但要把這艘目前世界最大的散貨沉船整體打撈出水，對現(xiàn)有打撈技術是非常重大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)現(xiàn)場分析與初步計算，目前普遍采用的壓氣排水法、船舶抬撬法、浮筒打撈法、起重船打撈法、半潛駁打撈法等均無法單一滿足如此重量的大型沉船打撈。因此需要聯(lián)合使用各種打撈方法才能實現(xiàn)該沉船的整體打撈，這就要求不僅依靠浮吊提供扳正力矩，還需要增加額外的扳正力矩。為此，在扳正駁船上安裝14套液壓拉力千斤頂設備，每套千斤頂設備由兩個反力架、兩個液壓千斤頂及兩個導向輪組成，拉力千斤頂通過反力架及基座和船體相連，每個千斤頂能提供300 t的拉力。

拉力千斤頂設備分別安裝在駁船左右舷，左舷14個千斤頂通過鋼絲繩及導向輪與安裝在海底的14個吸力錨相連，用于固定扳正駁船;右舷14個千斤頂通過鋼絲繩及導向輪與沉船上焊接好的14個300 t眼板連接，用于扳正沉船。當液壓千斤頂開始工作后，駁船與沉船之間鋼絲繩變短，使沉船緩慢回正（見圖1）。

根據(jù)初步校核結(jié)果和扳正系統(tǒng)類似錨機的機理，改裝設計的主要思路為：在設備基座處增加結(jié)構與原船強橫梁形成強框架，擴大受力范圍，分散集中力，以保證結(jié)構受力更加均勻。

2.2? 有限元模型

2.2.1 有限元模型范圍

根據(jù)中國船級社（CCS）規(guī)范要求，本文以安裝有液壓千斤頂設備甲板處及其基座局部結(jié)構作為分析對象，進行有限元計算，并對結(jié)構強度進行校核。有限元計算采用大型通用有限元分析軟件MSC.PATRAN & NASTRAN進行。

扳正駁船的LOA×LBP×B×D = 110.0×32.0×7.5 ×5.0 m，結(jié)構形式為縱骨架式，縱骨間距0.8 m，橫向強框架間距為2.5 m。

有限元模型坐標系定義為：船長方向為X軸，正方向由船尾指向船首;船寬方向為Y軸，正方向由船中指向左舷;型深方向為Z軸，正方向由船底指向甲板。考慮左右舷的結(jié)構相似及簡化計算模型，僅建立左舷有限元模型。

模型范圍為縱向取FR8+1.25 m～FR16+1.25 m，橫向取CL8.0 m縱艙壁到左舷外板，垂向取主甲板往下4.50 m，模型包含設備基座結(jié)構。

2.2.2 單元類型

該扳正駁船有限元模型的甲板板、艙壁板、舷側(cè)外板、強橫梁及縱桁等強構件的腹板均采用板單元模擬;面板、橫梁、縱骨及艙壁扶強材等弱構件采用梁單元模擬，并考慮偏心;板單元邊長約0.1 m。

扳正駁船甲板加強結(jié)構的三維有限元模型如圖2所示。

2.2.3 模型材料

該扳正駁船甲板及改裝結(jié)構材料采用普通碳素鋼，屈服強度為 fy =235 Mpa;基座材料使用高強度鋼，屈服強度為fy =345 MPa;材料的密度均為7 850 kg/m3，彈性模量E=2.06*105 MPa。

2.2.4 邊界條件

由于對船體結(jié)構及基座結(jié)構進行的是局部強度分析，因此只要在遠離載荷施加位置的模型兩端及艙壁端面處施加簡支約束，限制其X、Y、Z這3個線自由度，即Ux=Uy=Uz =0，其邊界條件對局部受力處的結(jié)構計算結(jié)果影響很小。

2.3? 載荷及工況

2.3.1 結(jié)構及設備自重

船體結(jié)構自重通過施加慣性加速度的方法實現(xiàn)，加速度取為9.81 m/s2;千斤頂設備、反力架及導向輪自重分別用質(zhì)量單元模擬，質(zhì)量點位于其重心處，并通過MPC（多點約束）與設備基座加強構件連接。

2.3.2 液壓千斤頂及導向輪載荷

依據(jù)中國船級社（CCS）規(guī)范及設計要求：單個反力架承受300 t的水平拉力;單個導輪載扳正初始時刻同時承受300 t的水平拉力和與水平夾角為15°的300 t的反向拉力;計算得出水平合力為Fx=300-300*sin75°=10.2 t、垂向壓力為Fz=300*sin15°=77.6 t、動力系數(shù)取1.25。

2.3.3橫傾

根據(jù)中國船級社（CCS）規(guī)范的要求，沉船在扳正過程中扳正駁船是一直處于橫傾狀態(tài)，根據(jù)艙內(nèi)壓載水、沉船扳正鋼絲繩受力及吸力錨鋼絲繩受力情況，計算得橫傾約為5°。

2.3.4 計算工況

在扳正過程中，沉船的橫傾角度不斷變化，鋼絲繩對扳正船舶的作用力的角度也不斷變化。根據(jù)此角度的變化，設置一系列的計算工況，如表1所示。

3? ?計算結(jié)果及分析

3.1? 強度衡準

由于該液壓千斤頂設備與錨機工作原理類似，故參考中國船級社（CCS）規(guī)范“錨機固定部分的船體結(jié)構強度校核建議”：各工況板單元的許用應力為0.9*fy;板單元許用剪切應力為0.53*fy;梁單元軸向許用應力為0.8*fy。

3.2? 各工況應力匯總

按照表1所列工況進行計算模擬，對各個工況計算結(jié)果進行匯總，見表2。

上述三種工況下應力計算結(jié)果，均滿足中國船級社（CCS）規(guī)范要求。最大應力云圖，見圖3～圖5。

對于工況1和工況2，板架最大應力出現(xiàn)在反力架基座與甲板相連受壓處，這是因為這個千斤頂受力后，反力架尾部被彎矩拉起，前部被壓下，由于尾部在基座縱桁和船體甲板縱桁對應，而前部受壓處只增加了一小段甲板縱桁，受力范圍較小，故導致應力較大;而對于工況3，隨著鋼絲繩和水平的夾角增大，結(jié)構最大應力出現(xiàn)在導向輪基座及甲板處，這是因為角度的增大導致鋼絲繩的合力不斷增大。由此可見，模型載荷及約束條件的設置，真實地模擬了沉船扳正過程的受力情況;通過設計優(yōu)化后的計算結(jié)果，最大應力值均比材料的許用應小但又比較接近，證明經(jīng)過優(yōu)化的改裝設計方案的安全性有保障，經(jīng)濟性也較好。

4? ?實施效果

船體結(jié)構的加強、扳正反力架基座及導向輪基座的施工是根據(jù)結(jié)構改裝設計及有限元的模擬、分析及優(yōu)化結(jié)果進行的，確保了整個扳正過程的安全可控（見圖6及圖7）。

實際沉船扳正過程中，改裝結(jié)構受力處變形情況與本文計算結(jié)果是高度吻合的，證明了分析方法是合理可行的。

5? ? 結(jié)論及建議

（1）扳正過程中千斤頂反力架下的基座以及甲板處結(jié)構的應力較大，尤其是反力架前部處甲板應力最大;建議設計同類安裝基座及加強結(jié)構時，可采用在受力方向上延長基座桁材的肘板長度、增大基座與甲板接觸面積，使得載荷更加均勻分布;

（2）導向輪處基座受力面積小、艙內(nèi)加強空間小，適當增加縱向、橫向桁材與原船甲板強橫梁形成范圍較大的強框架結(jié)構，使得加強效果更佳;

（3）應用三維有限元法進行該類型的強度校核，其結(jié)果較常規(guī)方法更精確直觀，并可以在改裝之前進行模擬計算，并根據(jù)計算結(jié)果進行結(jié)構的優(yōu)化;

（4）隨著船舶大型化，打撈大型船舶的扳正力配置要求也越來越高。本文提出的改裝設計思路及計算方法，對于類似項目具有一定的參考價值。

參 考 文 獻

[1]趙孟信. “長征”輪打撈中關于扳正力的分析[J]. 航海技術，1995（2）.

[2]中國船級社，鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范[S]. 人民交通出版社，2012.

[3]卞璇屹，陳家旺等. 14000t甲板駁船船體結(jié)構局部強度校核[J].江蘇?船舶，2012，29（2）.

[4]張曉君. 基于Nastran的船舶局部強度有限元分析[J]. 浙江海洋學院學??報.2006，25（3）.

[5]梁炳錢，李軍. FPSO救生艇甲板結(jié)構有限元分析[J]. 廣東造船，2013（5）.