基于Skempton公式的沉船打捞过程安全性分析.pdf

收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:国家自然科学基金()资助项目作者简介:潘洁(),硕士生,主要从事水动力分析等研究通信作者:王磊,教授,博士生导师;E m a i l:w a n g l e i s j t u e d u c n 文章编号:()S D O I:/j c n k i j s j t u S 基于S k e m p t o n公式的沉船打捞过程安全性分析潘洁,王磊,王一听,周东荣,朱小东(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 ;上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院,海南 三亚 ;交通运输部上海打捞局,上海 )摘要:为评估整体打捞作业安全性,以“长江口二号”打捞系统为研究对象,基于三维势流理论及S k e m p t o n公式建立了沉船整体打捞过程耦合动力响应特性数值模型该模型经实测验证,被用于沉船打捞全过程安全性分析研究结果表明:整体打捞过程需特别关注离底和部分出水两个阶段打捞系统的运动响应以及提升缆、系泊缆张力的变化随着波高和谱峰周期的增加,打捞系统运动响应和缆绳张力极值增大浪向对打捞系统六自由度运动的影响较为复杂,斜浪作用下提升缆的张力极值明显增加根据缆绳安全系数的计算,制定打捞方案时,要选择适当的提升速度,避免在 的浪向下进行打捞作业关键词:沉船打捞;S k e m p t o n公式;耦合分析;安全性分析中图分类号:U 文献标志码:AS a f e t yA n a l y s i so fW r e c kS a l v a g eP r o c e s sB a s e do nS k e m p t o nF u n c t i o nP ANJ i e,WANGL e i,WANGY i t i n g,ZHO UD o n g r o n g,ZHUX i a o d o n g(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fO c e a nE n g i n e e r i n g,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i ,C h i n a;Y a z h o uB a yI n s t i t u t eo fD e e p s e aS c i T e c h,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S a n y a ,H a i n a n,C h i n a;S h a n g h a iS a l v a g eC o m p a n yo f t h eM i n i s t r yo fT r a n s p o r t a t i o n,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oe v a l u a t e t h es a f e t yo fs a l v a g eo p e r a t i o n,an u m e r i c a lm o d e lo f t h ec o u p l i n gd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e“Y a n g t z eR i v e rE s t u a r y I I”s a l v a g e s y s t e mi s e s t a b l i s h e db a s e do n t h e t h r e e d i m e n s i o n a lp o t e n t i a lf l o wt h e o r ya n dt h eS k e m p t o nf o r m u l a T h e m o d e lh a sb e e nv e r i f i e db ya c t u a lm e a s u r e m e n t a n d i su s e di nt h es a f e t ya n a l y s i so ft h ew h o l es a l v a g ep r o c e s s T h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t s p e c i a l a t t e n t i o nn e e d s t ob ep a i d t o t h em o t i o nr e s p o n s eo f t h e s a l v a g e s y s t e ma n d t h e t e n s i o nc h a n g e so f t h e l i f t i n ga n dm o o r i n g l i n e s i nt h e t w os t a g e so fb o t t o m o f f a n dp a r t i a lw a t e r o u t i nt h eo v e r a l l s a l v a g ep r o c e s s W i t ht h ei n c r e a s eo fw a v eh e i g h ta n ds p e c t r a lp e a kp e r i o d,t h em o t i o nr e s p o n s eo ft h es a l v a g es y s t e ma n dt h ee x t r e m ev a l u eo f c a b l e t e n s i o n i n c r e a s e T h e i n f l u e n c eo fw a v ed i r e c t i o no nt h es i x d e g r e e o f f r e e d o mm o v e m e n t o f t h e s y s t e mi sm o r e c o m p l i c a t e d,a n d t h e e x t r e m ev a l u eo f t h e t e n s i o no f t h e l i f t i n gc a b l e i n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l yu n d e rt h ea c t i o no fo b l i q u ew a v e s A c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o no f t h es a f e t yf a c t o r o f t h e c a b l e,w h e n f o r m u l a t i n ga s a l v a g ep l a n,a na p p r o p r i a t e l i f t i n gs p e e ds h o u l db e s e l e c t e d,a n da t第 卷 增刊 年 月上 海 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FS HAN GHA I J I AOT ON GUN I V E R S I T YV o l S u p O c t 增刊潘洁,等:基于S k e m p t o n公式的沉船打捞过程安全性分析 t h es a m e t i m e,s a l v a g eo p e r a t i o n ss h o u l db ea v o i d e d i nw a v e so f K e yw o r d s:w r e c ks a l v a g e;S k e m p t o nf o r m u l a;c o u p l i n ga n a l y s i s;s a f e t ya n a l y s i s由于恶劣天气、碰撞、破损、人为疏忽等因素,沉船事故时有发生沉没的船舶若未得到及时清理,可能会阻塞重要航道,威胁航运安全船体损坏导致石油等有害物质的泄露,也会影响生态环境和生物生存因此必须及时采取有效的打捞措施,处理沉船问题沉船打捞是一门实践性、综合性非常强的技术,包括地质勘测、探摸沉船破损情况及质量分布、吊索安装等步骤根据沉船回收时的完整程度可将打捞方法分为整体起浮法和分段起浮法整体起浮法可以保证沉船完整性,随着作业设备和技术的发展,整体起浮的打捞难度也在逐渐降低一些具有重大民事意义或文化价值的船舶往往需要被整体打捞出来打捞系统是由多个结构组成的复杂系统,打捞船与沉船之间通过提升缆连接,在环境因素的作用下相互影响浮体之间的水动力干扰不仅会影响多体系统的稳定性,还会导致更加复杂的载荷与运动响应王伟平等针对沉船打捞过程中抬浮驳船受波浪上下起伏影响而导致打捞载荷不稳定的现象,提出了一种配套使用的缓冲补偿系统,实现了打捞载荷的均衡刘彦等根据不同状态下驳船运动响应及所受波浪载荷,探讨了约束模式、浪向角及周期对驳船水动力影响规律,分析了浪向角与周期对驳船耦合水动力及运动响应的不利干扰杨天笑针对双驳抬撬沉船打捞的整个过程,研究了搁坐力、提升力、船体纵向最大剪力以及船体纵向最大弯矩在打捞过程中的变化规律孟轲等根据静水中沉船打捞的动态模拟,分析了不同沉船重量对吊缆张力的影响杨芷蘅等通过数值仿真探讨了不同沉没深度、不同提升速度等因素对海土吸附力大小的影响X i n等考虑水土相互作用和实时吃水变化,研究了离底阶段打捞系统可能出现的受力和运动突变L e e等通过试验测量了打捞过程所需提升力的大小,分析了海底摩擦力、水面张力、浮力等对提升力变化的影响打捞系统主体包括打捞驳船、沉船、系泊缆和提升缆等结构,不同环境载荷下整个打捞系统呈现出复杂的运动和动力特性上述研究主要针对打捞系统部分阶段或结构,打捞系统全过程的动力学特性并未得到充分研究本文着眼于打捞的全过程,分析不同阶段打捞系统的运动变化,研究风浪流载荷综合作用下打捞系统的运动和动力特性,分析不同提升速度对打捞系统的影响,对不同环境条件和打捞速度下提升缆和系泊缆的安全性进行分析,有助于识别和评估潜在的风险,指导设计和优化打捞方案,确定合适的作业窗口,预防事故发生,并满足合规性和法规要求通过采取适当的安全管理和控制措施,可以提高打捞作业的安全性,保护人员和设备的安全,并减少可能的损失和风险 打捞方案设计 打捞方案介绍基于沉船遗址打捞的要求,利用专用浮箱整体抬浮法进行沉船整体打捞弧形梁从沉船下方穿过海土,首尾两端用封板封住形成水下沉船遗址整体在弧形梁上布置提升缆,最后采用整体抬浮法将水下沉船遗址整体提升至水面打捞上来打捞驳船为带有月池的专用浮箱,布置在沉船正上方,驳船主甲板上布置液压提升装置,在弧形梁穿越过沉船下方后,甲板上的提升装置同步进行打捞作业整体打捞示意图如图所示图沉船整体提升示意F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fw h o l ew r e c ks a l v a g eo p e r a t i o n 上海交通大学学报第 卷 打捞系统主要参数图为沉船与弧形梁整体现场图将沉船遗址整体简化为一个半圆柱打捞系统的主要参数如表所示,根据G B T 选取缆绳参数进行打捞作业时,驳船位于沉船正上方,通过锚泊系统实现作业定位,如图所示,根等长的锚链(M M)对称布置,在驳船月池左右两侧各布置 条提升缆(R R ,L L )考虑不同浪向作业对打捞系统的影响,规定 为沿X轴正方向,为沿Y轴正方向,为沿X轴负方向图沉船与弧形梁整体现场图F i g S n a p s h o to f s u n k e ns h i pa n dc u r v e db e a m表打捞系统主要参数T a b P a r a m e t e r so f s a l v a g e s y s t e m类型参数取值打捞驳船总长/m 型宽/m 型深/m 排水量/t 沉船总长/m 型宽/m 型深/m 排水量/t 系泊缆长度/m 直径/mm 轴向刚度/GN 最小破断强度/k N 单位长度质量/(k gm)提升缆长度/m 直径/mm 轴向刚度/MN 最小破断强度/k N 单位长度质量/(k gm)图驳船系泊布置示意图及波浪方向F i g M o o r i n gl i n ea r r a n g e m e n to fb a r g ea n d w a v ed i r e c t i o n 数值模拟 三维势流理论三维势流理论假定流体为无旋、无黏、不可压缩的理想流体,此时流场中存在的速度势:(x,y,z,t)R e(x,y,z)e i t()(x,y,z)I(x,y,z)D(x,y,z)R(x,y,z)I(x,y,z)D(x,y,z)jj(x,y,z)xj()式中:为 入 射 波 频 率;I(x,y,z)为 入 射 势;D(x,y,z)为 绕 射 势;R(x,y,z)为 辐 射 势;j(x,y,z)为j运动方向的辐射势;xj为j方向运动幅度;j为船体个自由度方向的运动入射势直接由下式给出:I(x,y,z)ig Ac o s hk(zh)c o s h(k h)eik(xc o sys i n)()式中:A为入射波波幅;g为重力加速度;d为水深;k为波数;为浪向角使用分布源汇的格林函数法求解绕射势和辐射势,从而得到流场的速度势通过速度势计算出流场的速度分布压强分布通过拉格朗日积分求解流体对物体的作用力 可沿着物体 湿 表 面 进 行 积 分 来计算 时域运动方程在整体打捞过程中,沉船不仅受到环境载荷的影响,还会受到提升缆和海床的作用,需要考虑所有外力载荷对沉船的作用因此,沉船在外力载荷综合作用下的时域运动方程可表示为增刊潘洁,等:基于S k e m p t o n公式的沉船打捞过程安全性分析(Mi ji j)x(t)tRi j(t)x()dtCi jx(t)Fw a v e()Fw a v e()Fw i n dFc u rFl i f tFs e a()式中:Mi j为质量矩阵;i j为附加质量矩阵;Ri j(t)为时延函数矩阵;Ci j为恢复力系数矩阵;Fw a v e()、Fw a v e()分别为一阶、二阶波浪力;Fw i n d为船体所受风载荷;Fc u r为船体所受流载荷;Fl i f t为船体所受提升力;Fs e a为海床对船体的吸附力Ri j(t)i j()s i n(t)d()式中:i j()为频域内的阻尼系数,通过傅里叶变换得到时延函数 海土吸附力在结构物提升过程中,由于结构物、土和液体(通常为水)之间的相互作用,会产生吸附力吸附力通常是由土对结构物底面的黏附力、提升过程中产生的负孔隙水压力和结构物侧面产生的侧向摩擦阻力三部分组成吸附力的计算需要考虑许多因素,如结构物的浸没深度和形状,土的类型和性质等采用S k e m p t o n公式作为吸附力计算的理论公式:FtA cu dB BL()式中:A为结构物的底面积;cu为饱和黏土的不排水抗剪强度;d、B、L分别为结构物的埋深、宽度和长度 S k e m p t o n公式将沉浸在土体中结构物的拉拔问题简化为刚体沉浸在半无限基质的塑性极限问题由力的平衡条件得到吸附力的公式图海底吸附力随提升距离变化实测曲线F i g A d s o r p t i o nf o r c ev e r s u s l i f t i n gd i s t a n c e根据黏性土的经验参数,取cu k P a,由S k e m p t o n公式计算得吸附力Ft t 图为匀速离底过程中底部吸附力随提升距离变化的实测曲线在实测过程中,沉船陷没深度为m,底部黏结吸附力最大值为 t,缓慢匀速提升过程可视为受力平衡本文考虑沉船完全陷没在海土中,由经验公式所得的吸附力约为实际吸附力的 倍,本文的计算结果相对保守,是偏于安全的本文假设沉船离底过程中吸附力的极值保持最大值不变 有限元模型根据上述理论建立沉船整体打捞有限元模型,由驳船和沉船多体水动力耦合动力响应计算模型组成本文采用的空间坐标系为右手坐标系,坐标原点位于驳船重心所在垂线与水面的交点,X轴正方向从船尾到船艏延伸,Y轴正方向从右舷到左舷延伸,Z轴正方向从水面到甲板方向延伸,如图所示图AQWA中的水动力模型F i g H y d r o d y n a m i cm o d e l i nAQWA由于网格大小与计算频率相关,在打捞系统模型简化的基础上,分别对沉船和打捞驳船定义m和m的网格尺寸,使用c o m b i n e dm e s h i n g方法划分网格,总网格数为 计算工况及环境参数为研究风浪流联合作用以及不同提升速度下打捞系统的响应变化,确定了 组不同的参数选择,本文计算所使用的环境条件如表所示波浪条件采用J ON SWA P谱 上海交通大学学报第 卷表不同工况参数设置T a b P a r a m e t e r s e t t i n g s f o rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s工况波浪波高/m谱峰周期,T/s浪向角/()谱峰因子风风速/(ms)流流速/(ms)提升速度/(ms)D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P 图驳船六自由度运动响应R A OF i g M o t i o nr e s p o n s eR A Oo f d e g r e e o f f r e e d o mo fb a r g e结果分析与讨论 水动力性能分析本文的研究对象为多浮体的打捞系统,浮体之间存在耦合效应,计算模型的幅值响应算子R AO,探讨不同波浪作用下打捞系统的运动响应特性由于模型关于X、Y轴对称,因此选取、的浪向角,波浪周期范围为 s 打捞系统六自由度R AO随波浪周期和浪向角的变化如图所示增刊潘洁,等:基于S k e m p t o n公式的沉船打捞过程安全性分析 图沉船六自由度运动响应R A OF i g M o t i o nr e s p o n s eR AOo f d e g r e e o f f r e e d o mo fw r e c k对于驳船(见图):纵荡和横荡R AO随波浪周期的增大总体呈上升趋势,受浪向角的影响较大浪向角逐渐增大时,纵荡方向的运动幅度减小,在 浪向时运动响应幅值最大;横荡R AO随浪向角增大运动响应幅值增加,横浪时运动响应最大当波浪周期较小时,垂荡R AO随着波浪周期增大而增大,随后趋于定值横摇、纵摇、艏摇R AO随波浪周期变化均表现出先增大后减小的趋势,横摇R AO在横浪时最大,艏摇R AO在斜浪时最大对于沉船(见图):纵荡、横荡、横摇R AO均随波浪周期增大而增加,浪向时纵荡R AO最大,横荡和横摇R AO均在横浪时达到最大值波浪周期增加,垂荡和艏摇R AO先增大后趋于稳定,垂荡R AO随浪向角变化差异不大,艏摇R AO在斜浪时达到最大值 不同阶段打捞系统响应分析 离底阶段离底阶段由于海土吸附力的存在,运动响应较为复杂打捞系统的运动响应时程曲线如图所示随着打捞作业的进行,沉船匀速上升,驳船垂荡方向可以看见明显的吃水增加当沉船即将脱离海底时,驳船吃水减小在整个离底阶段,沉船和驳船在纵荡、纵摇、艏摇方向的运动响应幅值很小,主要表现在横荡和横摇方向沉船横荡方向运动的极大值为 m,横摇方向极大值为 驳船横荡方向运动的极大值为 m,横摇方向极大值为 D P 工况下,左右两侧提升缆的张力变化相似在打捞作业初期,由于沉船提升,海底吸附力增加,提升缆张力变大,随着沉船脱离海底,提升力降低整个打捞过程匀速进行,故同侧各根提升缆张力变化区别不大,右侧提升力稍大于左侧图所示为离底阶段提升缆R 的张力变化时程曲线右侧提升缆张力极大值为 k N图 展示了离底阶段系泊缆M、M 的张力变化由于布置位置的差异,系泊缆M 的张力较M 大,M 的张力极值为 k N,M 的张力极值为 k N 水下提升阶段匀速打捞作业时,水下提升阶段是一个稳定平衡的过程图 展示了水下提升 上海交通大学学报第 卷图离底阶段打捞系统运动响应时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo fm o t i o nr e s p o n s eo f s a l v a g es y s t e mi no f f b o t t o ms t a g e图离底阶段提升缆R 的张力时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo f t e n s i o no f l i f t i n gc a b l eR i no f f b o t t o ms t a g e图 离底阶段系泊缆M、M 的张力时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo f t e n s i o no fm o o r i n gc a b l eM a n dM i no f f b o t t o ms t a g e图 水下提升阶段打捞系统运动响应时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo fm o t i o nr e s p o n s eo f s a l v a g es y s t e mi nu n d e r w a t e r l i f t i n gs t a g e增刊潘洁,等:基于S k e m p t o n公式的沉船打捞过程安全性分析 图 部分出水阶段打捞系统运动响应时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo fm o t i o nr e s p o n s eo f s a l v a g es y s t e mi np a r t i a l e f f l u e n t s t a g e阶段打捞系统的运动响应,纵荡、纵摇和艏摇方向运动幅度较小,主要体现在横荡、垂荡、横摇运动上随着提升缆的收缩,沉船与驳船距离变化,浮体之间出现耦合效应,沉船与驳船的横荡运动幅度均有所增加沉船横荡方向运动的极大值为 m,横摇方向极大值为 驳船横荡方向运动的极大值为 m,横摇方向极大值为 系统相对稳定,故提升缆张力变化不大,图 所示为水下提升阶段打捞系统R 提升缆张力的时程变化张力极值为 k N沉船靠近驳船月池,耦合效应使得打捞系统某些方向运动幅度增加,进而影响系泊缆的张力图 为水下提升阶段系泊缆M、M 的张力时程曲线,M、M 的张力极值分图 水下提升阶段提升缆R 的张力时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo f t e n s i o no f l i f t i n gc a b l eR i nu n d e r w a t e r l i f t i n gs t a g e图 水下提升阶段系泊缆M、M 的张力时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo ft e n s i o no fm o o r i n gc a b l eM a n dM i nu n d e r w a t e r l i f t i n gs t a g e别为 、k N 部分出水阶段沉船继续提升至部分出水,由于浸没体积变化,浮力减小,驳船吃水增加,提升缆张力变大,如图 所示沉船横荡方向运动的极大值为 m,横摇方向极大值为 驳船横荡方向运动的极大值为 m,横摇方向极大值为 提升缆张力极值增加至 k N,随着沉船部分露出水面,提升缆全部出水,不再受到波浪影响,波动范围有所缩小沉船运动受到月池限制,打捞系统整体运动幅度相对较小,因此系泊张力有一定程度降低,系泊缆张力变化如图 所示,M、M 的张力极值分别为 、k N图 为沉船实际打捞出水现场图 上海交通大学学报第 卷图 部分出水阶段提升缆R 的张力时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo ft e n s i o no fl i f t i n gc a b l eR i np a r t i a l e f f l u e n t s t a g e图 部分出水阶段系泊缆M、M 的张力时程曲线F i g T i m eh i s t o r yo ft e n s i o no fm o o r i n gc a b l e M a n dM i np a r t i a l e f f l u e n t s t a g e图 沉船打捞出水现场图F i g S n a p s h o to fw r e c ks a l v a g e i np r a c t i c e图 不同浪向角下打捞系统运动响应幅值F i g M a xm o t i o nr e s p o n s eo f s a l v a g es y s t e mi nd i f f e r e n tw a v ed i r e c t i o n s 环境条件对打捞系统的影响根据环境参数设置模拟获得不同环境条件下打捞系统的响应变化情况,默认打捞提升速度为 m/s,运动时间为 s,时间步长设置为 s 统计出不同波浪参数组合情况下打捞系统运动的最大位移以及缆绳的张力极值,分析环境条件对打捞作业的影响进行打捞作业时,由于沉船重量相对较大,驳船吃水增加明显,所以驳船Z方向的最大位移在未开始打捞的时候沉船受到提升力作用不断升高,重心Z方向变化明显,因此本节所讨论的运动响应主要针对打捞系统沿X、Y方向的平动以及绕X、Y、Z方向的转动进行分析 浪向角的影响浪向角变化对驳船和沉船运动响应表 现出相似的 影响以驳 船为例:对比D P、D P D P 下打捞系统的运动响应,如图 所示,横荡和横摇运动极值随浪向角增大而增加,浪向作用下,结构受到较大的侧向力,促使结构物发生横向运动,此时达到最大值艏摇运动在 和 浪向作用时最小,在斜浪情况下取得最大值纵荡、纵摇运动随着浪向角的增加呈现出上升后下降的趋势,在 浪向时最小不同浪向角下打捞系统缆绳张力极值变化如图 所示浪向角的变化对提升缆张力的影响较大,如图(a)所示,模型关于X、Y轴对称,以R R 为例 浪向作用下,靠近两端的提升缆的张力明显增加,从R R (或L L )呈现出先减小后增大的趋势,对称分布,以及 浪向情况下各提升缆张力极值差别不大图(b)以R R 提升缆为例说明了同一提升缆在不同浪向下的张力极值变化,对于R R(或R R 、L L、L L )提升缆,在 浪向作用下张力极 值最大,对R R(或L L)提升缆,浪向变增刊潘洁,等:基于S k e m p t o n公式的沉船打捞过程安全性分析 图 不同浪向角下打捞系统缆绳张力极值变化F i g M a xc a b l e t e n s i o no f s a l v a g es y s t e mi nd i f f e r e n tw a v ed i r e c t i o n s化对提升缆张力极值影响不大随着浪向角的增大,系泊缆随浪向变化显著增加,系泊缆M M 的张力极值总体上大于M M 波高的影响由 分析,浪向下,纵荡、纵摇、艏摇方向运动响应相对较小,同时各提升缆张力极值接近,左右两侧系泊缆呈现出相似的分布,故本节以横荡、横摇的运动响应以及R、M M 的张力值变化为例,如图 所示波高增大,波浪能量增加,横荡和横摇的运动响应极值随着波高增大运动极值明显增加由于打捞系统横摇、横荡方向的运动幅度加大,提升缆和系泊缆张力极值均有一定程度的增加图 不同波高下打捞系统运动响应幅值F i g M a xm o t i o nr e s p o n s eo f s a l v a g es y s t e ma td i f f e r e n tw a v eh e i g h t s 上海交通大学学报第 卷图 不同波高下打捞系统缆绳张力极值F i g M a xc a b l et e n s i o no fs a l v a g es y s t e ma td i f f e r e n tw a v eh e i g h t s 谱峰周期的影响对比D P、D P D P 下打捞系统的运动响应,如图 和 所示.随着谱峰周期的增加,横荡运动的极值有一定程度的增加,横摇的运动响应极值总体上呈现出增大的趋势,在T s时有一定程度的降低谱峰周期大小对纵荡、纵摇、艏摇运动影响较小图 不同谱峰周期下打捞系统运动响应幅值F i g M a xm o t i o nr e s p o n s eo f s a l v a g e s y s t e mi nd i f f e r e n tw a v ep e r i o d s谱峰周期的改变对提升缆及系泊缆的影响存在差异提升缆张力极值随谱峰周期变化呈现出先增大后减小的趋势,最大出现在Ts;对系泊缆,张图 不同谱峰周期下打捞系统缆绳张力极值F i g M a xc a b l et e n s i o no fs a l v a g es y s t e mi nd i f f e r e n tw a v ep e r i o d s力极值最大出现在T s,随着波浪周期的增加,张力极值变大 提升速度对打捞系统的影响根据 和 的讨论分析可知纵荡等方向的运动响应较小,故本节对打捞系统运动响应的讨论主要围绕横摇和横荡.D P、D P D P 工况下,浪向角为 ,不同提升缆之间差异较小,因此以R 提升缆为例,如图 所示图 不同提升速度下打捞系统运动响应幅值F i g M a xm o t i o nr e s p o n s eo fs a l v a g es y s t e ma td i f f e r e n t l i f t i n gs p e e d s增刊潘洁,等:基于S k e m p t o n公式的沉船打捞过程安全性分析 图 不同提升速度下打捞系统缆绳张力极值F i g M a xc a b l e t e n s i o no f s a l v a g e s y s t e ma t d i f f e r e n t l i f t i n gs p e e d s对比D P、D P D P 工况下打捞系统的运动变化曲线,驳船和沉船表现出相似的规律随着提升速度增加,横荡和横摇运动极值总体上呈现出减小的趋势,但在 m/s时,打捞系统横荡运动响应极值明显升高提升速度的增加导致提升缆受到更大的动态效应影响,张力极值显著增加,mm/s与mm/s相比张力极值增加了,因此保持较低的提升速度可以明显降低提升缆的张力极值由于打捞系统的运动响应极值总体上呈现出减小的趋势,所以系泊缆张力极值也有一定程度的降低 安全性分析根据上节分析,打捞系统的运动响应幅值均保持在一个较稳定的水平,因此本节主要针对提升缆和系泊缆的张力极值进行安全性分析缆绳的安全系数是用于评估和判断缆绳强度和安全性的重要指标安全系数表示了缆绳在设计或使用中的安全程度安全系数的数值越大,缆绳的安全性越高,工程和设计中要求使用具有足够安全系数的缆绳以确保在承受额定工作载荷时不发生破断或失效安全系数的计算公式为b sw s其中:b s为破断强度;w s为工作强度根据公式计算各工况下缆绳的安全系数,如表所示表不同工况缆绳安全系数统计T a b C a b l e s a f e t yf a c t o r s i nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s工况波高/m谱峰周期T/s浪向角/()提升速度/(ms)系泊缆张力极值/k N系泊缆安全系数提升缆张力极值/k N提升缆安全系数D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P D P 上海交通大学学报第 卷对比表中数据,系泊缆的安全系数均在 以上,即使在受到额外的冲击或负载时,系泊缆也能够承受很大的应力而不会发生破断或失效,可以很好地保证作业时系泊系统的安全性提升缆的安全系数在不同工况下存在较大差别,在D P、D P D P 工况下均小于 ,提升缆的破断强度仅略高于所受的力,缺乏足够的安全余量,可能使缆绳在承受额定工作负荷时容易接近或超过其强度极限,增加了断裂或损坏的风险因此在进行打捞方案制定时,要选择适当的提升速度,同时应避免在 浪向工作,或选择破断强度更高的缆绳,确保打捞作业的安全进行结论本文采用数值模拟方式对沉船打捞过程的耦合动力响应特性进行研究,首先计算了打捞系统六自由度R AO,并设计了一系列计算工况,依次分析不同阶段、不同波浪条件以及不同提升速度下打捞系统响应的变化规律,可以得出以下结论:()整个打捞过程中,由于海土吸附力以及多体耦合效应,制定打捞方案的时候,需要特别关注离底和部分出水时打捞系统运动响应以及提升缆的张力变化()驳船和沉船运动在不同波浪条件下的变化相似随着波高和谱峰周期的增大,打捞系统运动幅值增加,浪向变化在打捞系统六自由度方向上有不同的体现,浪向时纵荡运动幅度较大,斜浪向时艏摇、纵摇、纵荡方向运动较为明显,而 作用时横荡、横摇方向运动较为剧烈()环境条件对缆绳张力影响较为复杂斜浪作用时,两端提升缆张力极值显著增加提升缆在谱峰周期Ts时取得最大值,实际作业过程中,应尽量避免该频率附近的波浪系泊张力随浪向角、波高和谱峰周期增大呈上升趋势,同时受布置位置的影响,横浪状态下 布置的系泊缆张力极值最大()提升速度对打捞系统的影响主要体现在提升缆张力极值的变化上随着提升速度增加,提升缆张力极值大幅提高,但提升速度的增加缓解了打捞系统横摇方向的运动因此制定打捞方案时,应综合考虑各方面的响应极值,选择合适的打捞速度()在整个打捞过程中,提升缆的张力极值均出现在离底阶段,当浪向选择不恰当时,两端的提升缆极易出现损坏故在制定打捞方案时,要选择合适的来浪方向,可以将两端的提升缆替换为更高强度的钢缆,或考虑变速打捞,在较危险的离底阶段保持较低的提升速度最后,从模拟结果可以发现系泊缆的布置位置对缆绳受力存在较大影响,后续研究中将对不同的布置方案进行分析,探讨不同布置方案下缆绳受力以及打捞系统运动响应的变化参考文献:HE NK E L L,N E V I N S H,MA R T I N M,e ta lC h r o n i co i l i n go fm a r i n eb i r d s i nC a l i f o r n i ab yn a t u r a lp e t r o l e u ms e e p s,s h i p w r e c k s,a n do t h e rs o u r c e sJM a r i n eP o l l u t i o nB u l l e t i n,(/):陈浩政基于T O P S I S的沉船打捞方案评估优化方法研究D哈尔滨:哈尔滨工程大学,CHE N H a o z h e n g R e s e a r c ho no p t i m i z a t i o no nm e t h o do f w r e c ks a l v a g i n gs c h e m ee v a l u a t i o nb a s e do nT O P S I SDH a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,王伟平,杨濛,卞永明,等沉船打捞带缓冲补偿的液压同 步 提 升 系 统 研 究 J中 国 工 程 机 械 学 报,():WAN G W e i p i n g,YANGM e n g,B I ANY o n g m i n g,e ta l S t u d yo fh y d r a u l i cs t n c h r o n o u s l i f t i n gs y