基于底质力时历计算的沉船打捞离底过程动力特性分析及系泊系统优化.pdf
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1、收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:上海市科技创新行动计划(D Z )资助项目作者简介:辛尚哲(),博士生,从事浮体水动力性能研究通信作者: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 基于底质力时历计算的沉船打捞离底过程动力特性分析及系泊系统优化辛尚哲,王磊,范锦宇,周东荣,陈世海,朱小东(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 ;交通运输部上海打捞局,上海 )摘要:提出了一种基于精确底质力时历的沉船打捞系统动力特性分析方法通过对一个典型案例的模拟
2、,初步阐明了离底提升阶段母船和系泊缆、提升缆之间复杂的相互作用模式,发现了在提升阶段母船运动,特别是纵荡运动出现了显著的异常增大为了更好地控制母船在打捞过程中的运动,还对打捞系统的系泊布置进行了优化,得出了进行提升时运动控制效果更好、系泊张力更小的系泊缆布置构型关键词:沉船打捞;液土耦合;时域模拟;耦合系统中图分类号:P 文献标志码:AD y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c sA n a l y s i sa n dM o o r i n gS y s t e mO p t i m i z a t i o no fW r e c kS a l v a
3、g e i nO f f B o t t o mS t a g eB a s e do nS e a b e dR e s i s t a n c eF o r c eT i m eH i s t o r yX I NS h a n g z h e,WANGL e i,F ANJ i n y u,ZHO UD o n g r o n gCHENS h i h a i,ZHUX i a o d o n g(S c h o o l o fN a v a lA r c h i t e c t u r e,O c e a na n dC i v i lE n g i n e e r i n g,S h
4、 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;S h a n g h a iS a l v a g eo 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 nt h i sp a p e r,am e t h o df o ra n a l y z i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c
5、so ft h es u n k e ns h i ps a l v a g es y s t e mb a s e do nt h ea c c u r a t e t i m eh i s t o r yo f t h es e a b e dr e s i s t a n c ef o r c e i sp r o p o s e d T h es i m u l a t i o no fat y p i c a l c a s ep r e l i m i n a r i l yc l a r i f i e st h ec o m p l e xi n t e r a c t i o
6、 nm o d eb e t w e e nt h em o t h e rs h i p(ab a r g e),t h em o o r i n g l i n e,a n dt h el i f t i n gl i n ei nt h el i f t i n gs t a g e I ti sf o u n dt h a tt h em o t i o no ft h em o t h e rs h i p,e s p e c i a l l yt h es u r g em o t i o n,h a ss i g n i f i c a n t l y i n c r e a s
7、 e d i nt h i ss t a g e I no r d e r t ob e t t e r c o n t r o l t h em o t i o no f t h em o t h e rs h i p i n t h e s a l v a g ep r o c e s s,t h em o o r i n ga r r a n g e m e n t o f t h e s a l v a g e s y s t e mi s a l s oo p t i m i z e di nt h i sp a p e r,a n d t h em o o r i n g l i
8、n e a r r a n g e m e n t c o n f i g u r a t i o nw i t hb e t t e rm o t i o nc o n t r o l e f f e c t i s o b t a i n e d K e yw o r d s:w r e c ks a l v a g e;w a t e r s o i l i n t e r a c t i o n;t i m e d o m a i ns i m u l a t i o n;c o u p l i n gs y s t e m在漫长的航海史上,由于恶劣天气、碰撞、战争或其他人为失误等种种
9、原因,数以千计的船舶最终葬身大海 很多沉船的货舱中仍含有相当数量的石油、弹药或化学品,其中大多数至今仍未清除第 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 上海交通大学学报第 卷在一些狭窄海域,海底沉船堵塞航道,对航运安全构成了一定威胁与此同时,沉船船体一旦损坏,船舱中的有害化学物质将进入海水,从而大大增加了毗邻地区的环境污染风险,而沉船中的电子垃圾所释放的重金属污染亦可能沿食物链传递,最终损害人类健康此外,一些沉船还具有重要的考古、军事价值,或有
10、着相当的政治敏感性因此,出于上述多方面考虑,有必要开展安全高效的打捞作业,并探索沉船打捞技术的科学范式图打捞系统布置情况F i g C o n f i g u r a t i o no f s a l v a g es y s t e m沉船打捞系统可被视为一种形式特殊的系泊系统,其基本组成包括打捞母船、沉船、系泊和提升缆具及其他各类辅助结构等目前,执行沉船打捞任务需解决的首要问题是求取沉船从海底黏土中脱出时的底质力在沉船离底的过程中,底质力随时间的变化情况将在很大程度上影响到整个打捞系统的动力学行为特性遗憾的是,涉及沉船打捞,特别是精确海底阻力的相关研究非常少一些早期研究者总结了几个经验公式
11、来计算海底阻力 实际上,在当前的很多打捞工程实践中,人们通常简单地将之估计为沉船水下重量的 但需要注意的是,沉船打捞的离底阶段是一个连续的跨介质过程,使用某个单一的估计值来概括这样一个复杂、渐变的过程事实上是不准确的 L e e等设计了两次海上打捞的场地试验,很好地描述了整个打捞作业中各个阶段所需的提升力随时间的变化,但其研究中并没有关于打捞系统运动响应特性的描述此外,由于很多打捞任务所面临的情况非常紧急,因此用实验手段来确定底质力可能并不是一个具有普适性的方法针对上述问题,本文建立了一种考虑母船吃水变化和精确海底阻力变化的时域数值方法,并编制了相关程序其中海底阻力曲线是用有限元方法(F EM
12、)软件包中的多孔介质流固耦合(F S I)求解器求得的利用所述方法数值求解了特定海况下母船与提升/系泊缆之间的耦合动力响应,探明了打捞提升行为对所述系泊系统的影响,亦对不同系泊系统布置进行了敏感性分析,以优化打捞系统的系泊设计 模型描述以“长江口二号”古船打捞工程为实例建立了数值模型,模型中使用了两个右手坐标系,即大地坐标系O X Y Z和随体坐标系o x y z,两个坐标系的初始位置如图所示大地坐标系固定在静水面上,Z轴竖直向上当驳船静止时,两坐标系完全重合图中:打捞水深H m整个打捞系统包括一艘特制的带有方形月池的驳船、沉船以及提升和系泊缆具提升缆上端固定在驳船甲板上,下端铰接在沉船上长方
13、体沉船在打捞前完全没入海床黏土在打捞作业中,沉船以 m/h(约 mm/s)的速度被提拉上升,直到完全与海床分离图(a)为打捞系统总体布置增刊辛尚哲,等:基于底质力时历计算的沉船打捞离底过程动力特性分析及系泊系统优化的前视图,图(b)是系泊缆布置的俯视图,浪向角的约定也在图(b)中标出驳船和沉船的主要尺寸如表所示,系泊和提升缆参数如表所示表驳船和沉船的主要尺寸T a b M a j o rd i m e n s i o n so fb a r g ea n dw r e c k参数驳船沉船长度/m 宽度/m 高度/m 初始吃水/m 水线面面积/m 质量/t 水下质量/t 表系泊和提升缆的性能T
14、a b P r o p e r t i e so fm o o r i n ga n d l i f t i n gc a b l e s参数系泊缆提升缆长度/m 数量 质量/(k gm)刚度/GN 直径/m 最小断裂载荷/MN 打捞系统动力特性模拟方法 沉船土体相互作用模型底质阻力又称“海底突破力”,是指沉船出土时受到周围土壤的阻力其主要包括两部分:一是由相对运动趋势造成的摩擦力;二是土壤内部的负超孔隙流体压力 负的超孔压产生的原因可以简单地用土壤的有效应力原理来解释,其表达式为 p其中:是在土壤某一截面上的总应力;是作用在土粒骨架上的有效应力;p是孔隙压力可见,土壤骨架和孔隙水共同分担来自
15、外部的荷载当荷载减小时,有效应力瞬间下降,接着土体骨架产生松弛趋势,土体孔隙趋于扩张然而,在排水不良条件下,孔隙水的流动受到严重限制,因此相对封闭的孔隙空间的膨胀最终导致孔隙压力发生了负向变化,最终表现为对沉没目标物的吸力为方便叙述,下文中讨论的“孔隙压力”实际上就是这种超孔压(后文图中将以大写P标识,以示含义区分)本文所述海床分为个不同土层土的物理性质如表所示表中:Sa为饱和度;为内摩擦角;Cy为黏聚力屈服应力;Cf为摩擦因数;Cp为渗透系数表现场地质勘察结果总结T a b S u mm a r yo f g e o t e c h n i c a l i n v e s t i g a t
16、 i o nr e s u l t s序号厚度/m密度/(tm)泊松比孔隙比Sa/()Cy/k P aCfCp/(c ms)在每一控制体内,海床土体的平衡方程可以基于虚功原理来表示,写作:V:dVSt vdSVf vdVVnfwg vdV其中:为柯西应力;是虚变形率;V为控制体体积;t是单位面积的表面牵引力;v是一个虚速度场;S是控制体表面积;f是除了孔隙液体(这里是海水)重力的所有体积力;nf为多孔液体(自由液体加上固着液体)的总体积;w为液体密度(此处取值为 k g/m);g是重力加速度海底土弹性阶段采用各向同性线弹性模型,塑性行为采用M o h r C o u l o m b模型来描述
17、该模型具有参数简单易得、对静水压力敏感、能区分拉压工况差异等优点,故在工程实践中得到广泛应用 M o h r C o u l o m b模型的屈服函数可以写成如下形式:()()s i ncc o s其中:是最大主应力;是最小主应力;c是土体材料的黏聚力由于沉船数值模型在x z和y z平面上都是对称的,所以仅取其/进行水土沉船相互作用模拟此外,建模范围扩大到沉船尺寸的倍左右(m m m),以尽量减少边界效应的影响 上海交通大学学报第 卷利用有限元程序包,采用牛顿法隐式求解了水土沉船相互作用的控制方程本文中假定孔隙流体海水是不可压缩的求取了 s的海底阻力数值解时历,将之用于下一步的数据分析当中(将
18、在后文中论述)海底土壤超孔隙水压力分布如图所示,其中蓝色区域即为负超孔隙压力区域总提升力曲线(海底阻力和沉船沉重之和)如图所示,图中横坐标表示沉船的归一化垂直位移,定义为沉船实时垂直位移与其初始埋深(此处为 m)之比图中还显示了接触面中心处的孔压变化孔压在初始阶段急剧下降,迅速达到负向峰值,然后再缓慢上升也就是说,在打捞阶段开始时,沉船与土壤有分离倾向,此时海底阻力中的吸附力成分将急剧增大同时,一旦土壤与沉船的接触不再那么紧密,这种巨大的吸力又会重新下降图海床土体超孔隙水压力云图(X Z截面)F i g D i s t r i b u t i o no f e x c e s sp o r e
19、w a t e rp r e s s u r e i ns e a b e d(X Zp l a n e)图沉船离底阶段所需总提升力(方向相对于母船)及土体超孔压变化情况F i g S e a b e dr e s i s t a n c ea n dn e g a t i v ep o r ep r e s s u r e 考虑吃水变化的驳船系泊缆耦合模拟方法基于C u mm i n s理论开发了考虑吃水变化和底质力时历的模拟程序,用于计算驳船系泊缆系统在沉船离底阶段的动力学响应,所述控制方程 可写为(MOMA)XtH(t)X()dK XFeFmFl其中:MO为驳船的原始质量矩阵;MA为附加
20、质量矩阵;X为驳船上参考点的全局坐标向量;X和X分别为驳船的加速度和速度向量;H为时延函数矩阵;K为静水回复力矩阵;Fe、Fm、Fl为作用在驳船上的外力,分别代表海洋环境力、系泊力和提升力Fl的垂直分量将克服海底阻力,使沉船能够被向上提升 水动力系数及变吃水模块采用基于势流理论的面元法计算了一组水动力系数,包括附加质量系数、阻尼系数、静水回复力、一阶波浪力传递函数和慢漂力二阶传递函数本文采用N e wm a n近似,避免了双重求和带来的计算量过大的问题 如前文所述,打捞前沉船嵌入海底,由海底土颗粒骨架支撑在提升过程中,沉船开始脱离海底,沉船载荷(即沉船的湿重)逐渐由土壤转移到驳船上因此,在作业
21、过程中驳船吃水会显著增加同时,这种情况也导致了水动力系数的大范围变化,从而导致基于固定平均吃水的水动力数据不能准确地描述驳船的行为图展示了组不同吃水情况下的驳船一阶波浪力传递函数的变化情况,从中可见吃水增加时这些系数的显著变化为此,需要考虑驳船在每个时间步长内的实时吃水为了涵盖所有可能的情况,考虑了从m到m,间隔 m的吃水变化序列,并计算了每个吃水对应的水动力数据最终生成包含 个吃水、个浪向(,间隔 )、个水深(m、m)、个波浪频率(r a d/s,间隔 r a d/s)的多维数据库模拟开始后,每一个时间步内都会实时抓取驳船的吃水,并通过插值的方式从数据库中提取水动力系数这些功能最终都集成到一
22、个变吃水程序模块中进行调用 集中质量法系泊缆的动力学模拟通过集中质量法来实现集中质量法作为一种实用且应用广泛的数值建模方法,已经得到了很好的阐述和验证在较平静海况下,集中质量法的精度足以用于研究所述系泊系统的性能本文不再赘述相关的求解过程,因为文献 中已有很充分的论述图展示了本文模拟中涉及的几种不同的节点类型节点在其平衡位置的控制方程均可表示为增刊辛尚哲,等:基于底质力时历计算的沉船打捞离底过程动力特性分析及系泊系统优化图吃水m情况下驳船各一阶波浪力传递函数的变化F i g V a r i a t i o no f f i r s t o r d e rw a v e l o a dt r a
23、 n s f e r f u n c t i o no f s i xm o t i o nm o d e sa td r a u g h t so f t om(mOmA)YWTFDFIFs其中:mO为节点原始质量矩阵;mA为附加质量矩阵;Y为全局坐标向量根据节点类型,外力由不同的分量组成:湿重W、弹性系泊张力T、水动力载荷FD和FI、海底支撑力Fs系泊缆的弯曲和扭转的影响较小故忽略不计图集中质量法中系泊缆的离散示意图及各类型节点F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f l u m p e d m a s sm o d e la n dd i f f e
24、 r e n tn o d e t y p e s最终形成的整套模拟流程如图所示图考虑精确底质力时历的沉船打捞离底过程模拟流程图F i g W o r k f l o wo fe n t i r es i m u l a t i o ni n c l u d i n gs e a b e dr e s i s t a n c e t i m eh i s t o r y 沉船离底阶段中驳船动力响应特性本节模拟了一种典型海况下的沉船离底过程入射波由J ON SWA P谱产生,水深H m,有义 上海交通大学学报第 卷波高Hsm,浪向角Dw ,谱峰周期Tps 提升阶段(即 s)的几个关键参数值汇总在
25、表中沉船的垂直位置是相对于大地坐标而言的驳船六自由度运动的 s时历曲线如图所示,每根系泊缆的最大张力曲线如图所示图中:T m a xT m a x为整根缆上张力的空间极值,对应图中的系泊缆标号出于安全考虑,本文中的“张力值”指的是都是这个极值图中用红色虚线标出了提升作业的起始时刻和结束时刻,本文将两条线划分的个区域分别称为提升前阶段、提升阶段和提升后阶段具体而言,提升前阶段是指系泊系统和打捞缆具均已就位,但打捞机构尚未执行提升动作的阶段,此时提升缆完全松弛;提升阶段是指提升机构开始发力运行,牵动沉船向上脱离海底的阶段,此时提升缆张力将随时间发生变化,这一阶段将一直持续到沉船最低点完全与土体脱离
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