海军潜艇学院  刘汉明  顾泽月

 

 

摘 要：本文介绍了救捞作业场辅助设计软件的基本功能组成、设计方法、主要模型和程序实现的基本情况，该软件的研制将为实际救捞工程中救捞作业场布设方案设计提供高效、可靠的方法和工具。

关键词：救捞船  作业场  软件

 

1.  问题的提出

在进行各项救捞工程时，首先需要进行救捞船的作业场布置，即确定救捞船的布置形式、抛锚数量、方向和缆长等项内容。救捞船作业场布置的是否合理，能否在一定的海况条件下保持稳定，将直接决定救捞工作是否能够顺利进行，甚至直接影响到救捞工作的成败。在实际工程中曾多次出现走锚、移位的情况，如1994年某单位在奉命打捞“5348”号艇时, 曾经多次走锚, 六进六出作业场, 耗费了大量的人力物力。造成这种情况的一个主要原因是由于受到救捞船作业场布置设计理论、方法和设计手段的限制，难以科学、合理地进行作业场布置方案设计，无法正确预测救捞作业场在各种海况下的稳定性。

现有救捞船作业场布置设计理论和方法与实际工程的需要尚有相当大的差距，主要表现在，一是脱锚机理和概率分布不明确；二是救捞船锚泊系统受力计算方法不合理；三是波浪力对救捞船稳定性影响的计算、校核方法不明确等。但正如参考文献[1、2]中所介绍，建立在现代船舶力学与悬链线理论基础之上的救捞船作业场布置设计理论和方法必须与计算机技术相结合，才能在实际工作中科学、有效、快速地完成救捞船作业场布置方案的设计工作。因此，进行救捞船作业场布置方案辅助设计软件的研究是非常必要的。

本文将在参考文献[1、2]的基础上，救捞船作业场布置方案辅助设计软件的设计和实现方法进行比较全面的介绍。

2．软件的总体设计

2.1软件的总体功能设计

援救打捞作业场布置方案辅助设计软件的总体功能如下：

（一）初始数据输入

主要完成难船数据、环境条件、作业船类型等初始数据的输入，并将其中部分数据转换为可直接用于计算的参数值并存贮，可由辅助作业场基本形式设计模块和抛锚方案辅助设计模块调用使用。主要包括以下部件：

（1）数据输入:又分为难船数据输入和环境条件输入两种情况

而环境条件输入以根据所掌握的现场环境条件的详略情况不同，分为三种输入方式：

a．按海况等级方式输入

b．选择按风级、浪级方式输入

c．选择按风、浪参数方式输入

（2）数据转换：主要完成对上述不同输入方式下输入的环境条件转换为统一参数的环境条件值，以便于后绪处理。

（二）辅助作业场基本形式设计

主要根据作业任务及环境条件情况，辅助完成作业船布置基本形式方案的设计。主要包括以下部件：

（1）作业船类型选择：选择作业船型并赋值

（2）救捞船外力计算：风力、浪力、流力计算

（3）作业船抛锚基本形式设计：分为作业船位下抛锚基本形式设计、抗风船位下抛锚基本形式设计两种情况。

a．作业船位下抛锚基本形式设计

提供了4种抛锚形式和8种作业船方向可供设计选择：

（a）4种抛锚形式：  抛单锚、抛八字锚、抛四只锚、抛六只锚布场形式

（b）8种作业船方向：与沉船平行、与沉船垂直、顶风、顶流、顶风流、横风、横流、其它方向

b．抗风船位下抛锚基本形式设计

提供了4种抛锚形式和4种作业船方向可供设计选择：

（a）4种抛锚形式：  抛单锚、抛八字锚、抛四只锚、抛六只锚布场形式

（b）4种作业船方向：顶风、顶流、顶风流、其它方向

（三）抛锚方案辅助设计

主要根据作业任务及环境条件情况，在作业船布置基本形式设计的基础上，完成完整的救捞作业场布置方案设计。主要包括以下部件：

（1）锚及锚缆的使用设计：包括锚类型选择、锚重量和锚缆规格选择、锚向和锚缆长度设计等。

（2）抛锚方案校核：包括锚泊系统参数计算、锚抓力计算、方案校核三个方面内容。

方案校核又包括了如下四个方面：

a．锚缆强度校核b．锚机强度校核c．卧底缆长校核d．锚抓力校核

软件还可根据校核结果，辅助完成对抛锚方案的修改。

（3）器材需求分析

（四）设计方案管理与输出

主要是设计人员完成所生成方案的管理工作。主要包括以下部件：

（1）设计方案管理：包括将设计方案存贮至内部数据库、形成文档式方案两项功能；

（2）设计方案输出：包括将设计方案打印输出、存贮至外部数据库和方案的界面显示三项功能；

2.2 软件的外部接口设计
          图1  援救打捞作业场布置方案辅助设计功能模块图

软件的外部接口主要有两个：

(1)难船结构数据接口（Ex_WreckData01）：该接口负责从船舶结构数据库将难船有关的结构数据读入到程序中，供设计使用。

(2)作业场布置方案接口（Ex_ FinalProject）：该接口负责将完成的作业场布置方案存贮到作业场布置方案库中，供查询使用。

接口的数据流图如图2所示。

图2 作业场布置方案辅助设计外部接口示意图

3．软件的主要模型研制和程序实现

3.1 软件的主要模型研制

软件中建立了大量的数学模型，如风浪参数转换模型、锚抓力计算模型、水深校核模型、锚缆和锚链长度计算模型、方案校核模型、救捞船风流浪力计算模型、锚泊系统参数计算模型等。其中，救捞船风流浪力计算和锚泊系统参数计算两个模型是最主要的两个模型，详见参考文献[1，2]。这里，仅对在抛锚方案设计中具有重要意义的预张力设置模型加以介绍。

   （一）预张力定义及作用

当作业船处于无外力作用的条件下，通过适当配置抛锚位置（锚距）和锚缆的入水缆长（缆长）使锚缆中产生的张力即为预张力。

预张力保证作业船在无外力的情况下稳定在指定的位置，也是作业船在受外力作用时船位基本稳定的基础。即是当作业船在受外力作用时。在锚缆预张力适当的情况下，作业船不会产生较大的位移，各锚缆将在预张力基础上达到新的张力，以使作业船受力达到平衡。

   （二）预张力设置的基本思想

实际方案设计中，是通过确定锚位来确定预张力值，再通过预张力值的校核，分析锚位设计的合理性。本软件中，为了便于设计工作，首先设定、校核预张力值，再来计算锚位，这体现了一种优化设计思想。

各锚缆预张力的设置与调整均采用最优预张力的设计思想。由于各锚缆最大锚拉力的大小是随着预张力的增加而增加的，而以保证作业船位的移动在允许移动范围内（满足计算收敛和位移在允许范围内两项条件）的最小预张力值做为实际预张力值，以使所产生的最大锚拉力达到最小的设计方法。

具体的设计方法，即在确定缆长的条件下，在作业船允许的位移范围内，以可能的最小预张力的水平分量做为预张力的设计标准。显然，在此预张力下，整个锚泊系统的各个锚缆将具有最小拉力，从而最有利于锚位的稳定。

（三）预张力设置模型

（1）初始预张力设置

初始预张力设置是以水平预张力为设置标准的，首先，取外载力的某比值（如1/10）为初始水平预张力T_H；

（2）预张力校核

a. 进行船体位移程度校核，即计算收敛性校核。若校核不通过（即计算不收敛性），则增加各锚锚缆预张力；

b. 进行预张力值是否大于锚缆、锚机强度校核，若大于则表明在此锚缆长度下无合适的预张力值（即预张力值过大，但直接减小预张力值可能会导致船位位移过大），应进行锚缆长度的调整；

c. 进行预张力下的锚拉力与卧底缆长校核，若校核不通过（即预张力下的锚拉力已大于锚抓力或卧底缆长度过小），则表明在此锚缆长度下无合适的预张力值（即预张力值过大，但直接减小预张力值可能会导致船位位移过大），应进行锚缆长度的调整；

d. 通过上述校核的预张力值即可作为所设计抛锚方案的预张力值。

（3）预张力调整

如果初始预水平张力校核不通过，则按一定的比例增加水平预张力值，直至校核通过。具体方法如下：

式中，FW—外载合力；

        n—预张力调整次数，其取值范围是：0，1，2，3，4，…

预张力设置与调整的程序流程如图3所示。

3.2软件的程序实现

    软件采用面向对象的程序语言VB6.0做为开发语言，具有良好的交互界面和丰富的输入、输出和提示信息，能够自动完成文档式方案的管理与输出，受到了试用单位的好评。软件的“辅助抛锚方案设计界面”如图4所示。
 

3.3计算应用

使用软件对如下如锚泊系统进行静力计算。

如图3所示，某救捞船由8根锚缆系泊。缆在水中的单位长度重量ω=1.096kN/m。救捞船受到X、Y两方向的外力作用（F_X=1570kN，F_Y=1570kN）。至下导缆孔的工作水深h=150.0m。

救捞船布锚方式如图3所示，按30^o—70^o对称布置，各缆所加预张力为1000KN。计算的误差要求是：对X、Y方向的力不大于1KN，对Z轴力矩不大于50.m。计算后各锚缆角度及受力情况如下：

 

救捞船的位移量为：x_o=6.63m, y_o=5.18m, φ=-0.013^o。

 

4． 结论

本文介绍了援救打捞作业场布置方案辅助设计软件的功能组成、主要模型的设计思想等，该软件的开发成功将为实际救捞工程中救捞作业场布设方案设计提供高效、可靠的方法和工具，从而为救捞工作的顺利进行提供可靠的保障。