基于ANSYS的雙船抬浮打撈作業(yè)起重系統(tǒng)基座設計

孫 霞

（江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術學校，江蘇 無錫 214151）

0 引言

如今我國水上運輸事業(yè)較為發(fā)達，但隨著海上交通密度的迅速提升，又受海上臺風等惡劣氣候的頻繁襲擊，水上運輸及相關作業(yè)的風險大幅增長。重特大的海運事件時有發(fā)生，對打撈作業(yè)提出了巨大的挑戰(zhàn)，對海洋生態(tài)產生了惡劣影響。沉船多種多樣，打撈沉船對海洋環(huán)境、民生事業(yè)及軍事發(fā)展等均具有重要意義，如打撈“阿考德號”具有很強的環(huán)境保護意義，打撈“東方之星輪”、“世越號”具有重大民生意義?，F(xiàn)有的打撈技術較為多樣，但國內深水打撈的案例不多，2017年世越號沉船的成功打撈，雖然屬于潛水打撈，但基本滿足了韓國政府提出的“不破壞沉船原有姿態(tài)、結構”等特殊要求，也實現(xiàn)了雙船抬浮打撈的首次成功，因此對于我國打撈技術的發(fā)展具有重要意義[1]。

1 我國海上打撈作業(yè)的需求與實際發(fā)展情況

1.1 打撈作業(yè)的需求

目前，我國進行應急搶險打撈作業(yè)，已具備打撈8～10萬噸沉船的能力，但仍然面臨沉船大型化、需求多樣化及作業(yè)整體化等問題。在打撈業(yè)務方面，隨著打撈裝備的不斷升級，已不在依靠浮筒打撈等單一的作業(yè)模式，逐漸使用大型裝備開展整體打撈，相比解體、分步打撈等模式，整體打撈對海洋的污染更少，清障的速度更快，逐漸滿足了一些大噸位、大深度的作業(yè)要求。而整體打撈必須有大型抬浮力的工程船；在打撈能力方面，我國整體打撈系統(tǒng)、打撈能力均在快速提升，國家相關發(fā)展計劃中也規(guī)定要將沉船打撈能力提升到10萬噸級，這就要求打撈船空船質量大于1.6萬噸，因此需要建造具有大噸位抬浮能力的工程船；在打撈技術方面，國內打撈系統(tǒng)中以封艙抽水、起重吊裝及浮筒抬浮、整體抬浮等技術最為常見，其中浮筒打撈方式效率低、風險大，對條件的要求較多，使用大型裝備整體打撈與清障時，各類裝備能發(fā)揮各自的特點，打撈時相輔相成，有利于打破作業(yè)環(huán)境、縮短作業(yè)工期，針對重量大幅超過起重船的難船、長船、破損嚴重的船，傳統(tǒng)打撈技術是無法有效打撈的，而采用柔性的鋼絞線承重及液壓千斤頂集群等技術，能大幅提升打撈成功率，在打撈世越號時就是利用雙船整體起浮的技術，成為近年來較成功的案例。

在應用市場方面，除了打撈沉船，大型抬浮船基于自身大型甲板、快速調載等特點，在大型貨物海運、海洋工程等市場上均有較大需求和應用前景。水上運輸的成本、便利性優(yōu)于陸地運輸，而海運時需要大量集裝箱橋吊，建設跨海大橋、隧道，因此需要大型抬浮工程船，輔助沉箱、打樁等工作，在運輸國防軍用艦船等高價值船舶時，也需要大型工程船輔助完成。在海洋工程方面，深水油田開發(fā)力度大幅提高，需要具備調載功能的打撈工程船，以轉移油田作業(yè)相關的設備[2]。

1.2 發(fā)展情況

相比于日本、英國等發(fā)達國家，國內海上搶險打撈技術水平有待大幅提高，無論是打撈技術、裝備不足，還是業(yè)務發(fā)展水平，均難以滿足相關市場的需求。因此，應該加強打撈設備、技術方面的研究與應用，提升我國海域環(huán)境。起重打撈作業(yè)的起重船，需要具備高抬浮性能、大規(guī)格，才能有效進行水下環(huán)境勘測、吊點確定、輔助打洞與切割、清除沉船內殘油與淤泥及起吊沉船等復雜工作。常見的打撈工程船有起重駁船、起重船，前者配置臂桿起重機，適用于港口、近海等位置，后者利用可回轉起重機實現(xiàn)沉船打撈,能更好克服惡劣海況的環(huán)境，在近海油氣開采中被廣泛應用，如今也逐漸向深海起重船作業(yè)領域發(fā)展，但當前仍需要突破抬浮力、結構穩(wěn)定性等關鍵技術。起重船在海洋作業(yè)時，其打撈形式、裝載性質決定了其結構穩(wěn)定性，在打撈大噸量物體時，會對自身產生巨大傾覆力，因此需要采用反向加載適量壓載水等方法，以滿足排水量、吃水深度及穩(wěn)定性等多方面要求，而受海浪等影響，起重船需要具備精確的定位、移位等能力，才能實現(xiàn)精準打撈[3]。

2 相關概念簡述

2.1 雙船抬浮

目前打撈沉船常用封艙抽水、充氣抽水、壓氣排水、船舶抬翹、浮筒抬浮、浮吊打撈等技術，打撈作業(yè)時可以單獨或聯(lián)合使用。雙船抬浮一般會聯(lián)合船舶抬翹、浮吊打撈等技術，以提升打撈頓量，“世越號”打撈業(yè)務就是利用改造的2艘半潛駁船，利用船舶抬翹等技術，并在使用液壓鋼絞線提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，打撈成功的。2艘抬浮即在沉船打撈電兩側各布置1艘船，同步拉動鋼絞線，以將沉船提出水面?！笆涝教枴贝驌撇捎昧?3套液壓鋼絞線，分別裝于沉船船底各鋼梁位置。油缸系統(tǒng)是實現(xiàn)提升的重要裝置，布置在與沉船打撈中心點相反一側的反力架上，2艘抬浮船的鋼絞線與水下沉船的鋼絲相連，最終成功打撈。

為提升整體抬浮能力，在合理選擇打撈技術的同時，應盡量選擇單邊抬浮力大的工程船，如振華重工、中遠船務等企業(yè)已經能打造12000 t抬浮力的工程船，使用2艘此類船進行雙船打撈作業(yè)，能提升本打撈能力。如上述中遠船務的工程船利用強力牽引裝置及強大的壓載水調節(jié)性能，能保證打撈時的單邊船受力的穩(wěn)定性，基于先進閥門遙控、液位檢測等技術，調載能力也十分迅速、準確，能很好適應航行、超壓載及空船打撈、油水打撈、半油水打撈等不同工況[4]。

在設計和制造雙船打撈的工程船時，為節(jié)省資源，可選擇具備較高運輸能力、效益的工程船，使其在進行打撈任務至于，能進行運輸營運。為滿足這一需求，須使其結構、穩(wěn)定性與結構強度、壓載水調載能力等均能同時滿足打撈與運輸的相應要求，且為了便于轉換用途，甲板上的打撈設備、基座可通過螺栓與船體連接，連接位置用加厚板、墊板進行保護，相關的電纜、管系也應設計拆卸接口。

2.2 ANSYS

有限元法分析法，是將物理結構劃分為有限個單元，再將每個單元劃分為有限個節(jié)點，而單元間通過節(jié)點相連。研究打撈船受力等問題時，建立每個分割的單元的作用力方程，組合所有單元的方程，形成整個結構的方程組，求解該方程，得到結構穩(wěn)定性的近似解。ANSYS是世界領先的有限元分析軟件，能夠將結構、聲場等分析融為一體，且能與Pro/Enginee等制圖軟件進行交流，實現(xiàn)不同軟件內數據間的交流與使用。

ANSYS包括前期分析、處理運算、后期處理等模塊，前期分析可對打撈船系統(tǒng)進行數據分析、初步有限元模型等工作，處理運算是基于有限元算法，可解決打撈船設計中遇到的力學、電磁學等問題，后期處理階段，利用圖表、模型等方式，對軟件前2部分的工作結果進行直觀表達。

3 雙船抬浮打撈作業(yè)起重系統(tǒng)基座的結構設計

以“世越號”的打撈作業(yè)為例，分析其起重基座的結構設計問題。2條抬浮駁在抬吊沉船時主要進行了拖航移位、沉船進檔、重量轉移等環(huán)節(jié)，進行作業(yè)的招商重工1號與招商重工3號聯(lián)合成超大型的作業(yè)結構，由于此前雙船打撈經驗不足，此次打撈過程十分困難。拖航移位過程中，整個拖航尺寸十分龐大，且周圍打撈環(huán)境對拖航的安全性產生了很大的不利影響，進檔環(huán)節(jié)，2艘駁船與半潛船間間隙很小，行進等操作異常困難[5]。在此次打撈工程中，為保證拖航等階段整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定的同時，還要保證抬浮駁與沉船組成的聯(lián)合結構順利進入半潛船，需要基于有限元等分析技術進行大量力學計算，圖1為抬吊系統(tǒng)整體的結構圖。根據抬吊結構圖，以其提升結構為例，進行相關分析與建模。

圖1 抬吊系統(tǒng)整體結構圖

3.1 基座結構受力的分析

基座結構是進行打撈提升的重要結構，“世越號”2艘打撈船提升系統(tǒng)的結構圖如圖2所示，基于有限元分析原理，首先分析提升系統(tǒng)中鋼絞線的組成原理圖，其反力架是實現(xiàn)打撈提升的主要提升力，而滾輪支架主要承載打撈時鋼絲滾過滾輪時產生的壓力。以滿足雙船抬浮抬浮力及整套系統(tǒng)提升力與安全性等要求，對反力架、滾輪支架2個單元受力情況進行進一步分析。另外，還應考慮打撈時鋼絲于提升過程中自身橫向偏轉對打撈安全性等產生的影響，因此滾輪支架設計時應考慮其需要承受的橫向載荷。

圖2 提升系統(tǒng)結構圖

3.2 材料屬性的定義與模型構造

根據以上分析結果，結合2艘抬浮作業(yè)船現(xiàn)有的板材情況，對反力架、滾輪支架等基座結構進行板材優(yōu)化，最終選用Q235B級的板材。然后，對材料屬性進行定義，最后進行模型構造。

在模型設計及相關計算之前，對2條打撈船進行單獨力學計算與分析，以招商重工1號為例，需要在基座上布置33套反力架、滾輪支架，若進行整體建模及運算，工作量、計算量非常大，計算準確性、建模精細度也難以保證。因此，需要利用ANSYS軟件進行設計與計算，以中部艙段的詳細建模為例，該艙段上需布置部分的反力架、滾輪支架，根據駁船基座的整體結構圖，為保證分析的準確性，在建模時需根據材料屬性，對涉及的板材、管材、骨材進行全面且精細的建模，橫梁、肋骨、管材等材料的尺寸及相關結構間的位置關系均按實際情況進行建模[6]。

3.3 網格劃分與數據加載

對基座結構進行網格劃分，是保證計算準確性與效率的前提，首先需要近多次嘗試對比，從而確定所建船體模型各個構件的具體尺寸，并對反力架、滾輪支架等結構進行重點研究。因此對這2個單元進行區(qū)域局部的網格劃分，再逐漸向外圍放大。網格劃分可采用四邊形的網格進行分割，劃分為有限節(jié)點后，對各局部網格進行相應力學計算，如約束力計算時，應考慮基座周邊橫艙壁對起重過程相關結構的約束性，對相關結構進行固定處理，并合理約束其不同方向上的運動能力。最后，根據抬吊系統(tǒng)各結構與其他結構相互影響的情況，對反力架等結構詳細的受力分析結果進行加載，如反力架與油缸相互接觸的區(qū)域應均勻加載，而滾輪支架與滾輪銷軸接觸面則進行照水平、垂向及側向的加載。

3.4 計算結果分析

在對基座進行有限元分析后，發(fā)現(xiàn)反力架、滾輪支架及相關結構的許用剪切應力、相當應力等，如反力架的應力值分別為168 N/mm2和83 N/mm2，與規(guī)定相比，均能滿足相關規(guī)范及世越號打撈的相關需求，且留有一定安全余量。

4 結語

本文在進行相關理論分析的同時，結合“世越號”打撈項目，對雙船抬浮作業(yè)的基座結構進行了設計分析。但實際打撈作業(yè)中，雙船打撈在復雜的拖航、進檔過程中，其基座及相關構件的受力情況更為復雜，但基于對打撈船多重用途及各結構相互的影響關系等因素的考慮，本文認為在滿足整個打撈過程中基座結構強度等使用要求的基礎上，反力架等構件應選擇合適的材料，其高度及應力傳導結構也應合理設計。