“世越号”船体损伤结构强度分析

    李维　段明昕　金善勤

    摘 要：沉船事故或者海难的发生，需要救捞系统快速制订出一套有效的沉船救助或者打捞方案。对于某些大型沉船的打捞，采用整体起吊的方式打捞，由于自身重量较大，起吊时，钢缆会损伤船体，受损后的船体结构强度比较弱，需要快速有效的评估船体结构强度方法，有限元（FEA）法是分析结构强度的常用方法。本文将有限元法与含损伤船体结构强度评估相结合，为沉船打捞提供一种理论支持。

    关键词：有限单元法；沉船打捞；船体损伤；结构强度；评估分析；抬浮打捞

    中图分类号：U663 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）07-0010-03

    人类航海史上曾经多次发生沉船事故。沉船事故不仅会造成人员伤亡、船舶损坏，更会造成航道阻塞，影响过往船只通行。因此对于遇难船只的打捞是很有必要的。对于某些打捞工程项目，需要考虑人性化打捞，最大限度地保存沉船原状，如：交通运输部上海打捞局对“世越号”的打捞作业。对于这类大型沉船的打捞作业，一般采用整体起吊或者抬浮打捞。整体起吊作业方式或者抬浮方式都需起吊钢缆或托底钢梁与主船体接触，如图1，因此有必要知道船体结构强度。

    有限元（FEA）直接计算方法对于沉船完整和破损结构强度的计算是一种非常有效的计算方法。王道能等人利用有限元分析软件具体求解了”畅通”打捞工程中一艘驳船甲板受300t载荷作用的问题。显然，这种有限元计算可以为打捞项目提供一个有效的理论支持。南安普顿大学的杰姆斯-安德伍德在船体结构损伤强度评估一文中就利用有限元分析软件计算了带裂纹的船体结构强度，并分析了带有裂纹的船体结构强度。

    1 带裂缝的船体结构强度分析

    1.1 裂缝模拟

    英国南安普顿大学的杰姆斯-安德伍德在钢制船体结构强度损伤评估一文中采用损伤面积比例来探讨裂纹大小对加筋板的结构强度的影响。陈景杰在含裂纹损伤船体结构强度分析方法研究一文中采用裂纹最大张口位移来模拟了裂纹大小。对于“世越号”船体上由于起吊船首时产生的裂纹，本文采用删除裂纹处的有限元网格来模拟。裂纹示意图如下：

    1.2 边界条件

    1.2.1 约束

    根据圣维南原理，远离作用力的区域，作用力的影响很小。因此对于实际结构的有限元仿真，边界位置离力的作用位置越远，边界条件对分析结果的影响越小。因此，对于本文中分析裂缝对于船体结构的影响，边界约束取为远离船首裂缝处的截面中性轴处，并且截面处其他节点与该约束节点刚性耦合。

    1.2.2 载荷

    “世越号”打捞工程在船首起吊过程中，3#和4#吊索及其与船体相互之间的位置示意图如下图所示。船体自身重力以分布力的方式加载到船体结构上。下图中吊索的吊力大小是通过船体重量重心分布曲线计算得到：

    2 完整船体结构强度分析

    2.1 边界条件

    对于“世越号”的起吊过程，可以近似简化为一个静态的过程。托底钢梁可以简化为船体的简支边界条件。船体自身的重量以分布力重力的方式加载，其中加载于“世越号”上的重力根据计算好的重量分布曲线得到。边界条件和力的加载示意图如图5所示。

    2.2 计算结果

    由下图可知，应力较大的区域分布于边界条件附近，在裂缝附近并未出现较大的应力区域。

    3 剖面模数法

    计算船体外壳的应力时，可以将其简化为一个船体梁，首先计算其剖面模数，然后可以得到船体外壳的应力。本文分析船体上裂缝对外壳应力的影响。因此可以采用剖面模数法来分析。计算弯矩为：M=29739.89tfm，计算剪力为：N=1220.025tf。计算“世越号”裂缝附近横剖面的剖面模数如下表：

    按照上述方法计算带有裂缝的船体板应力，其中弯矩不变，但剖面模数减小。可得到带裂缝的船体板应力为：

    根据上述计算结果可知，“世越号”船首带裂缝的情况下，裂缝附近的应力会增大。

    4 计算结果

    依据“世越号”的结构图，并且选取合适的有限元单元。建立“世越号”船首有限元模型如图5所示。对于船体上装有护角（相当于船体结构加强）的地方，船体外壳板厚取为30mm；对于没有装护角的地方，船体外壳厚度取为原来船壳厚度。

    从以上的应力云图中可以看出船体上若出现裂纹，则裂纹附近的局部位置应力会出现峰值。

    5 结论

    本文以“世越号”为例，利用有限元法，分析了船体结构在存在裂纹的情况下，其周围应力的变化，为后续的沉船打捞提供了一个有力的理论支持。

    參考文献（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， 胡伟东. ABAQUS在沉船打捞工程中的应用探讨[C]// 第六届中国国际救捞论坛. 2010.

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

    [4]陈景杰. 含裂纹损伤船体结构强度分析方法研究[D]. 大连理工大学， 2011.