基于ANSYS的双船抬浮打捞作业起重系统基座设计

孙 霞

（江苏省无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡 214151）

0 引言

如今我国水上运输事业较为发达，但随着海上交通密度的迅速提升，又受海上台风等恶劣气候的频繁袭击，水上运输及相关作业的风险大幅增长。重特大的海运事件时有发生，对打捞作业提出了巨大的挑战，对海洋生态产生了恶劣影响。沉船多种多样，打捞沉船对海洋环境、民生事业及军事发展等均具有重要意义，如打捞“阿考德号”具有很强的环境保护意义，打捞“东方之星轮”、“世越号”具有重大民生意义。现有的打捞技术较为多样，但国内深水打捞的案例不多，2017年世越号沉船的成功打捞，虽然属于潜水打捞，但基本满足了韩国政府提出的“不破坏沉船原有姿态、结构”等特殊要求，也实现了双船抬浮打捞的首次成功，因此对于我国打捞技术的发展具有重要意义[1]。

1 我国海上打捞作业的需求与实际发展情况

1.1 打捞作业的需求

目前，我国进行应急抢险打捞作业，已具备打捞8～10万吨沉船的能力，但仍然面临沉船大型化、需求多样化及作业整体化等问题。在打捞业务方面，随着打捞装备的不断升级，已不在依靠浮筒打捞等单一的作业模式，逐渐使用大型装备开展整体打捞，相比解体、分步打捞等模式，整体打捞对海洋的污染更少，清障的速度更快，逐渐满足了一些大吨位、大深度的作业要求。而整体打捞必须有大型抬浮力的工程船；在打捞能力方面，我国整体打捞系统、打捞能力均在快速提升，国家相关发展计划中也规定要将沉船打捞能力提升到10万吨级，这就要求打捞船空船质量大于1.6万吨，因此需要建造具有大吨位抬浮能力的工程船；在打捞技术方面，国内打捞系统中以封舱抽水、起重吊装及浮筒抬浮、整体抬浮等技术最为常见，其中浮筒打捞方式效率低、风险大，对条件的要求较多，使用大型装备整体打捞与清障时，各类装备能发挥各自的特点，打捞时相辅相成，有利于打破作业环境、缩短作业工期，针对重量大幅超过起重船的难船、长船、破损严重的船，传统打捞技术是无法有效打捞的，而采用柔性的钢绞线承重及液压千斤顶集群等技术，能大幅提升打捞成功率，在打捞世越号时就是利用双船整体起浮的技术，成为近年来较成功的案例。

在应用市场方面，除了打捞沉船，大型抬浮船基于自身大型甲板、快速调载等特点，在大型货物海运、海洋工程等市场上均有较大需求和应用前景。水上运输的成本、便利性优于陆地运输，而海运时需要大量集装箱桥吊，建设跨海大桥、隧道，因此需要大型抬浮工程船，辅助沉箱、打桩等工作，在运输国防军用舰船等高价值船舶时，也需要大型工程船辅助完成。在海洋工程方面，深水油田开发力度大幅提高，需要具备调载功能的打捞工程船，以转移油田作业相关的设备[2]。

1.2 发展情况

相比于日本、英国等发达国家，国内海上抢险打捞技术水平有待大幅提高，无论是打捞技术、装备不足，还是业务发展水平，均难以满足相关市场的需求。因此，应该加强打捞设备、技术方面的研究与应用，提升我国海域环境。起重打捞作业的起重船，需要具备高抬浮性能、大规格，才能有效进行水下环境勘测、吊点确定、辅助打洞与切割、清除沉船内残油与淤泥及起吊沉船等复杂工作。常见的打捞工程船有起重驳船、起重船，前者配置臂杆起重机，适用于港口、近海等位置，后者利用可回转起重机实现沉船打捞,能更好克服恶劣海况的环境，在近海油气开采中被广泛应用，如今也逐渐向深海起重船作业领域发展，但当前仍需要突破抬浮力、结构稳定性等关键技术。起重船在海洋作业时，其打捞形式、装载性质决定了其结构稳定性，在打捞大吨量物体时，会对自身产生巨大倾覆力，因此需要采用反向加载适量压载水等方法，以满足排水量、吃水深度及稳定性等多方面要求，而受海浪等影响，起重船需要具备精确的定位、移位等能力，才能实现精准打捞[3]。

2 相关概念简述

2.1 双船抬浮

目前打捞沉船常用封舱抽水、充气抽水、压气排水、船舶抬翘、浮筒抬浮、浮吊打捞等技术，打捞作业时可以单独或联合使用。双船抬浮一般会联合船舶抬翘、浮吊打捞等技术，以提升打捞顿量，“世越号”打捞业务就是利用改造的2艘半潜驳船，利用船舶抬翘等技术，并在使用液压钢绞线提升系统稳定性的前提下，打捞成功的。2艘抬浮即在沉船打捞电两侧各布置1艘船，同步拉动钢绞线，以将沉船提出水面。“世越号”打捞采用了33套液压钢绞线，分别装于沉船船底各钢梁位置。油缸系统是实现提升的重要装置，布置在与沉船打捞中心点相反一侧的反力架上，2艘抬浮船的钢绞线与水下沉船的钢丝相连，最终成功打捞。

为提升整体抬浮能力，在合理选择打捞技术的同时，应尽量选择单边抬浮力大的工程船，如振华重工、中远船务等企业已经能打造12000 t抬浮力的工程船，使用2艘此类船进行双船打捞作业，能提升本打捞能力。如上述中远船务的工程船利用强力牵引装置及强大的压载水调节性能，能保证打捞时的单边船受力的稳定性，基于先进阀门遥控、液位检测等技术，调载能力也十分迅速、准确，能很好适应航行、超压载及空船打捞、油水打捞、半油水打捞等不同工况[4]。

在设计和制造双船打捞的工程船时，为节省资源，可选择具备较高运输能力、效益的工程船，使其在进行打捞任务至于，能进行运输营运。为满足这一需求，须使其结构、稳定性与结构强度、压载水调载能力等均能同时满足打捞与运输的相应要求，且为了便于转换用途，甲板上的打捞设备、基座可通过螺栓与船体连接，连接位置用加厚板、垫板进行保护，相关的电缆、管系也应设计拆卸接口。

2.2 ANSYS

有限元法分析法，是将物理结构划分为有限个单元，再将每个单元划分为有限个节点，而单元间通过节点相连。研究打捞船受力等问题时，建立每个分割的单元的作用力方程，组合所有单元的方程，形成整个结构的方程组，求解该方程，得到结构稳定性的近似解。ANSYS是世界领先的有限元分析软件，能够将结构、声场等分析融为一体，且能与Pro/Enginee等制图软件进行交流，实现不同软件内数据间的交流与使用。

ANSYS包括前期分析、处理运算、后期处理等模块，前期分析可对打捞船系统进行数据分析、初步有限元模型等工作，处理运算是基于有限元算法，可解决打捞船设计中遇到的力学、电磁学等问题，后期处理阶段，利用图表、模型等方式，对软件前2部分的工作结果进行直观表达。

3 双船抬浮打捞作业起重系统基座的结构设计

以“世越号”的打捞作业为例，分析其起重基座的结构设计问题。2条抬浮驳在抬吊沉船时主要进行了拖航移位、沉船进档、重量转移等环节，进行作业的招商重工1号与招商重工3号联合成超大型的作业结构，由于此前双船打捞经验不足，此次打捞过程十分困难。拖航移位过程中，整个拖航尺寸十分庞大，且周围打捞环境对拖航的安全性产生了很大的不利影响，进档环节，2艘驳船与半潜船间间隙很小，行进等操作异常困难[5]。在此次打捞工程中，为保证拖航等阶段整个系统安全稳定的同时，还要保证抬浮驳与沉船组成的联合结构顺利进入半潜船，需要基于有限元等分析技术进行大量力学计算，图1为抬吊系统整体的结构图。根据抬吊结构图，以其提升结构为例，进行相关分析与建模。

图1 抬吊系统整体结构图

3.1 基座结构受力的分析

基座结构是进行打捞提升的重要结构，“世越号”2艘打捞船提升系统的结构图如图2所示，基于有限元分析原理，首先分析提升系统中钢绞线的组成原理图，其反力架是实现打捞提升的主要提升力，而滚轮支架主要承载打捞时钢丝滚过滚轮时产生的压力。以满足双船抬浮抬浮力及整套系统提升力与安全性等要求，对反力架、滚轮支架2个单元受力情况进行进一步分析。另外，还应考虑打捞时钢丝于提升过程中自身横向偏转对打捞安全性等产生的影响，因此滚轮支架设计时应考虑其需要承受的横向载荷。

图2 提升系统结构图

3.2 材料属性的定义与模型构造

根据以上分析结果，结合2艘抬浮作业船现有的板材情况，对反力架、滚轮支架等基座结构进行板材优化，最终选用Q235B级的板材。然后，对材料属性进行定义，最后进行模型构造。

在模型设计及相关计算之前，对2条打捞船进行单独力学计算与分析，以招商重工1号为例，需要在基座上布置33套反力架、滚轮支架，若进行整体建模及运算，工作量、计算量非常大，计算准确性、建模精细度也难以保证。因此，需要利用ANSYS软件进行设计与计算，以中部舱段的详细建模为例，该舱段上需布置部分的反力架、滚轮支架，根据驳船基座的整体结构图，为保证分析的准确性，在建模时需根据材料属性，对涉及的板材、管材、骨材进行全面且精细的建模，横梁、肋骨、管材等材料的尺寸及相关结构间的位置关系均按实际情况进行建模[6]。

3.3 网格划分与数据加载

对基座结构进行网格划分，是保证计算准确性与效率的前提，首先需要近多次尝试对比，从而确定所建船体模型各个构件的具体尺寸，并对反力架、滚轮支架等结构进行重点研究。因此对这2个单元进行区域局部的网格划分，再逐渐向外围放大。网格划分可采用四边形的网格进行分割，划分为有限节点后，对各局部网格进行相应力学计算，如约束力计算时，应考虑基座周边横舱壁对起重过程相关结构的约束性，对相关结构进行固定处理，并合理约束其不同方向上的运动能力。最后，根据抬吊系统各结构与其他结构相互影响的情况，对反力架等结构详细的受力分析结果进行加载，如反力架与油缸相互接触的区域应均匀加载，而滚轮支架与滚轮销轴接触面则进行照水平、垂向及侧向的加载。

3.4 计算结果分析

在对基座进行有限元分析后，发现反力架、滚轮支架及相关结构的许用剪切应力、相当应力等，如反力架的应力值分别为168 N/mm2和83 N/mm2，与规定相比，均能满足相关规范及世越号打捞的相关需求，且留有一定安全余量。

4 结语

本文在进行相关理论分析的同时，结合“世越号”打捞项目，对双船抬浮作业的基座结构进行了设计分析。但实际打捞作业中，双船打捞在复杂的拖航、进档过程中，其基座及相关构件的受力情况更为复杂，但基于对打捞船多重用途及各结构相互的影响关系等因素的考虑，本文认为在满足整个打捞过程中基座结构强度等使用要求的基础上，反力架等构件应选择合适的材料，其高度及应力传导结构也应合理设计。