傾覆船舶扳正過程的力學(xué)剖析與精準(zhǔn)計算一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加速，國際貿(mào)易量持續(xù)增長，海洋運(yùn)輸作為全球貿(mào)易和物流的主要方式之一，在國際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中占據(jù)著舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計，海洋運(yùn)輸承擔(dān)了全球約90%的貿(mào)易運(yùn)輸，是連接世界各國的重要紐帶。近年來，全球海洋運(yùn)輸市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，2024年預(yù)計達(dá)到XX萬億美元，亞洲地區(qū)成為全球海洋運(yùn)輸市場增長最快的地區(qū)，市場份額逐年上升。然而，海洋運(yùn)輸行業(yè)在蓬勃發(fā)展的同時，也面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中船舶傾覆事故的頻發(fā)嚴(yán)重威脅著海上運(yùn)輸安全和人員生命財產(chǎn)安全。在海上，船舶可能會遭遇各種復(fù)雜的情況，如惡劣天氣、船舶設(shè)備老化、人為操作失誤、碰撞、觸礁等，這些因素都可能導(dǎo)致船舶發(fā)生傾覆事故。例如，在2024年7月，南非附近海域遭遇惡劣的颶風(fēng)天氣，達(dá)飛輪船旗下一艘17859TEU的超大型集裝箱船舶CMACGMBENJAMINFRANKLIN輪在從亞洲前往歐洲的西行航次中，因遭遇惡劣天氣，導(dǎo)致44個集裝箱落水，另有30個集裝箱受損；同期，巴拿馬籍雜貨船UltraGalaxy在南非海岸遭遇惡劣天氣嚴(yán)重側(cè)傾，最終18名菲律賓籍船員棄船，該輪在開普敦以北385公里的西海岸布蘭德塞巴伊海域擱淺。這些事故不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還對海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞。當(dāng)船舶發(fā)生傾覆事故后，對其進(jìn)行扳正和打撈是減少損失、保障海洋環(huán)境和恢復(fù)海上運(yùn)輸秩序的重要措施。而在扳正過程中，準(zhǔn)確的受力分析與計算是確保扳正工作安全、順利進(jìn)行的關(guān)鍵。通過對傾覆船舶扳正過程中的受力進(jìn)行分析和計算，可以確定扳正所需的力的大小、方向和作用點，為選擇合適的扳正設(shè)備和制定科學(xué)的扳正方案提供理論依據(jù)，從而提高扳正工作的效率和成功率，降低扳正過程中的風(fēng)險。此外，深入研究傾覆船舶扳正過程中的受力分析與計算，對于推動海洋運(yùn)輸行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展也具有重要的意義。一方面，它可以促進(jìn)船舶設(shè)計和建造技術(shù)的改進(jìn)，提高船舶的安全性和穩(wěn)定性，減少傾覆事故的發(fā)生；另一方面，它還可以為海洋救助打撈行業(yè)提供更加先進(jìn)的技術(shù)和方法，提升海洋救助打撈能力，增強(qiáng)我國在海洋事業(yè)中的國際競爭力，為我國海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，對傾覆船舶扳正受力分析與計算的研究起步較早。早在20世紀(jì)中葉，隨著海洋運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，船舶規(guī)模和載重量不斷增大，船舶傾覆事故逐漸增多，相關(guān)研究開始受到重視。早期的研究主要集中在理論分析方面，學(xué)者們通過建立簡單的力學(xué)模型，對船舶在水中的受力情況進(jìn)行分析，如挪威科技大學(xué)的研究團(tuán)隊，在船舶穩(wěn)性理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用剛體力學(xué)原理，初步探討了船舶在傾覆狀態(tài)下的受力平衡關(guān)系，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸應(yīng)用于船舶扳正研究領(lǐng)域。美國、日本等國家的科研機(jī)構(gòu)和高校，利用先進(jìn)的計算流體力學(xué)（CFD）軟件，對船舶扳正過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過模擬不同的扳正方案和工況，分析船舶的受力特性和運(yùn)動響應(yīng)。例如，美國國家航空航天局（NASA）的研究人員開發(fā)了專門的船舶模擬軟件，能夠精確模擬船舶在復(fù)雜海洋環(huán)境下的受力和運(yùn)動情況，為船舶扳正方案的制定提供了有力的技術(shù)支持。近年來，國外在船舶扳正技術(shù)和設(shè)備方面取得了顯著進(jìn)展。一些先進(jìn)的打撈公司研發(fā)出了新型的扳正設(shè)備，如德國的一家公司研發(fā)的大型液壓扳正系統(tǒng)，具有高精度、高可靠性和強(qiáng)大的扳正能力，能夠適應(yīng)不同類型和規(guī)模的船舶扳正作業(yè)；同時，一些新的扳正方法也不斷涌現(xiàn)，如采用氣囊輔助扳正技術(shù)，通過在船舶底部充氣氣囊，利用氣囊的浮力和支撐力，實現(xiàn)船舶的平穩(wěn)扳正。在國內(nèi)，船舶扳正受力分析與計算的研究相對起步較晚，但發(fā)展迅速。20世紀(jì)80年代以來，隨著我國海洋事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對船舶救助打撈技術(shù)的需求日益增長，相關(guān)研究逐漸展開。國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和高校，如大連海事大學(xué)、上海交通大學(xué)等，在船舶力學(xué)、海洋工程等領(lǐng)域開展了深入研究，建立了一系列適用于我國國情的船舶扳正理論和方法。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國船舶的特點和海洋環(huán)境條件，對船舶扳正過程中的受力分析和計算方法進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)。例如，大連海事大學(xué)的研究團(tuán)隊提出了一種考慮船體彈性變形的扳正力計算方法，通過建立船體結(jié)構(gòu)的有限元模型，將船體的彈性變形納入受力分析中，提高了扳正力計算的準(zhǔn)確性；上海交通大學(xué)的學(xué)者則運(yùn)用非線性動力學(xué)理論，對船舶在扳正過程中的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，揭示了船舶在復(fù)雜外力作用下的運(yùn)動規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)的科研人員利用自主研發(fā)的軟件和商業(yè)CFD軟件，對船舶扳正過程進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。通過模擬不同的扳正工況和參數(shù)，分析船舶的受力情況和運(yùn)動軌跡，為實際扳正作業(yè)提供了重要的參考依據(jù)。同時，國內(nèi)還開展了一些針對特定類型船舶（如集裝箱船、油輪等）的扳正研究，針對不同類型船舶的結(jié)構(gòu)特點和受力特性，制定了相應(yīng)的扳正方案和技術(shù)措施。盡管國內(nèi)外在傾覆船舶扳正受力分析與計算方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的研究大多基于理想的海洋環(huán)境條件和船舶模型，對于實際海洋環(huán)境中的復(fù)雜因素（如風(fēng)浪流的聯(lián)合作用、海底地形的影響等）考慮不夠充分，導(dǎo)致理論計算結(jié)果與實際情況存在一定的偏差。另一方面，在多學(xué)科交叉融合方面還有待加強(qiáng)，船舶扳正涉及到船舶力學(xué)、海洋工程、材料科學(xué)、控制工程等多個學(xué)科領(lǐng)域，目前各學(xué)科之間的協(xié)同研究還不夠深入，難以實現(xiàn)對船舶扳正過程的全面、精準(zhǔn)分析。此外，針對新型船舶（如智能船舶、新能源船舶等）的扳正研究還相對較少，無法滿足未來船舶發(fā)展的需求。因此，未來的研究可以朝著更加全面考慮實際因素、加強(qiáng)多學(xué)科交叉融合以及拓展新型船舶研究等方向展開，以進(jìn)一步完善船舶扳正受力分析與計算的理論和方法，提高船舶扳正作業(yè)的安全性和效率。1.3研究方法與創(chuàng)新點本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保對傾覆船舶扳正過程中的受力分析與計算的研究全面且深入。在實驗法方面，通過構(gòu)建與實際船舶相似的物理模型，模擬真實的海洋環(huán)境和扳正操作過程，從而獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)。例如，在實驗室中設(shè)置不同的風(fēng)浪條件，使用小型船舶模型進(jìn)行傾覆和扳正實驗，通過傳感器精確測量模型在扳正過程中的受力情況，包括浮力、重力、扳正力以及水流和風(fēng)力的作用力等。實驗過程中，可調(diào)整船舶模型的參數(shù)，如船體結(jié)構(gòu)、載重分布等，觀察不同因素對扳正受力的影響。實驗數(shù)據(jù)的獲取為理論分析和數(shù)值模擬提供了重要的驗證依據(jù)，能夠有效檢驗理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。理論計算法是基于經(jīng)典的力學(xué)原理，如牛頓力學(xué)、流體力學(xué)和材料力學(xué)等，對傾覆船舶扳正過程中的受力進(jìn)行分析和計算。根據(jù)船舶的幾何形狀、結(jié)構(gòu)特點以及材料特性，建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出扳正力的計算公式。在考慮船舶的重力分布時，可通過對船舶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析，結(jié)合材料的密度等參數(shù)，精確計算出重力的大小和作用點；對于浮力的計算，則依據(jù)阿基米德原理，考慮船舶在水中的排水體積以及水的密度等因素。同時，還需考慮風(fēng)浪流等外界因素對船舶受力的影響，通過引入相應(yīng)的系數(shù)和模型，將這些復(fù)雜的因素納入理論計算中。數(shù)值模擬法借助先進(jìn)的計算機(jī)軟件，如計算流體力學(xué)（CFD）軟件和有限元分析（FEA）軟件，對船舶扳正過程進(jìn)行虛擬模擬。CFD軟件能夠模擬船舶在水中的流場分布，分析水流對船舶的作用力；FEA軟件則可對船舶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，評估扳正過程中船舶結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。利用ANSYS軟件對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，模擬扳正力作用下船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布，判斷船舶結(jié)構(gòu)是否能夠承受扳正過程中的外力。通過數(shù)值模擬，可以全面地分析船舶在不同工況下的受力情況，包括不同的扳正方案、海洋環(huán)境條件以及船舶自身狀態(tài)等，為實際扳正作業(yè)提供詳細(xì)的參考信息。本研究在方法和思路上具有一定的創(chuàng)新點。在多因素綜合分析方面，充分考慮實際海洋環(huán)境中復(fù)雜因素的耦合作用，不僅單獨分析風(fēng)浪流各自對船舶的作用力，還深入研究它們之間的相互影響以及對船舶扳正受力的綜合作用機(jī)制。通過建立多因素耦合的數(shù)學(xué)模型，更加準(zhǔn)確地描述船舶在實際海洋環(huán)境中的受力狀態(tài)，提高研究結(jié)果的可靠性和實用性。在新計算模型構(gòu)建方面，嘗試結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論和方法，如非線性動力學(xué)、人工智能算法等，構(gòu)建更加精準(zhǔn)的船舶扳正受力計算模型。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對大量的實驗數(shù)據(jù)和實際案例進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立船舶扳正力與各種影響因素之間的復(fù)雜非線性關(guān)系模型，從而實現(xiàn)對扳正力的更精確預(yù)測。此外，在研究過程中注重多學(xué)科交叉融合，將船舶力學(xué)、海洋工程、材料科學(xué)、控制工程等多個學(xué)科的知識和方法有機(jī)結(jié)合，從不同角度對船舶扳正問題進(jìn)行全面分析，為解決船舶扳正過程中的復(fù)雜問題提供新的思路和方法。二、傾覆船舶受力形式分析2.1靜力學(xué)受力分析2.1.1重力與浮力重力是船舶在地球上受到的地球引力作用的力，其大小等于船舶的質(zhì)量與重力加速度的乘積，公式表示為G=mg，其中G為重力，m為船舶質(zhì)量，g為重力加速度，通常取9.81m/s?2。船舶的重力作用點稱為重心，重心的位置會因船舶的結(jié)構(gòu)、所載貨物的分布等因素而有所不同。在船舶正常航行狀態(tài)下，重心位置相對穩(wěn)定，但當(dāng)船舶發(fā)生傾覆時，貨物可能會發(fā)生移位，從而導(dǎo)致重心位置發(fā)生改變。浮力是船舶在水中受到的向上的作用力，根據(jù)阿基米德原理，浮力的大小等于船舶排開液體的重量，公式為F_b=\rhogV，其中F_b為浮力，\rho為液體密度（海水密度約為1025kg/m?3），V為船舶排開液體的體積。船舶在水中處于平衡狀態(tài)時，重力與浮力大小相等、方向相反，且作用在同一條直線上。當(dāng)船舶發(fā)生傾覆時，其排水體積和形狀會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致浮力的大小和作用點改變。在船舶傾覆過程中，重力與浮力的平衡關(guān)系被打破。如果船舶傾覆后，重心高于浮心，重力與浮力會形成一個傾覆力矩，使船舶進(jìn)一步傾斜；反之，如果通過合理的扳正措施，使浮心高于重心，重力與浮力則會形成一個扶正力矩，有助于船舶恢復(fù)到正常狀態(tài)。例如，在某些船舶傾覆事故中，由于貨物的大量移位，導(dǎo)致船舶重心急劇升高，遠(yuǎn)高于浮心，使得船舶難以自行恢復(fù)平衡，需要借助外部力量進(jìn)行扳正。而在扳正過程中，準(zhǔn)確計算重力和浮力的大小、作用點以及它們之間的力矩關(guān)系，對于制定有效的扳正方案至關(guān)重要。通過增加船舶一側(cè)的浮力，如向特定艙室注水或使用浮筒等設(shè)備，可以改變浮力的作用點和大小，從而產(chǎn)生扶正力矩，推動船舶向正常狀態(tài)恢復(fù)。2.1.2擱坐力擱坐力是當(dāng)船舶擱淺時，船體與海底或其他支撐面接觸而產(chǎn)生的反作用力。當(dāng)船舶發(fā)生擱淺并傾覆時，擱坐力的產(chǎn)生是由于船舶自身的重力以及周圍水的作用力通過船體傳遞到海底，海底對船體產(chǎn)生一個向上的反作用力，這個反作用力即為擱坐力。擱坐力的大小和分布與船舶的重量、擱淺姿態(tài)、海底地形和土壤性質(zhì)等因素密切相關(guān)。在計算擱坐力時，通?？梢圆捎没诹W(xué)原理的方法。假設(shè)船舶擱淺在水平的海底上，且船舶的重量均勻分布，可將船舶看作一個剛體，根據(jù)力的平衡原理，擱坐力F_s等于船舶的重力G減去船舶所受到的浮力F_b，即F_s=G-F_b。然而，在實際情況中，海底地形往往是復(fù)雜多變的，可能存在起伏、傾斜等情況，此時擱坐力的計算需要考慮更多的因素?？梢岳糜邢拊治龇椒?，將船舶和海底視為一個整體模型，通過模擬不同的擱淺工況，分析擱坐力在船體上的分布情況。擱坐力在擱淺船舶扳正中起著重要的作用。一方面，擱坐力的大小和方向會影響扳正所需的外力大小和方向。如果擱坐力過大，可能需要更大的扳正力才能克服它，使船舶脫離擱淺狀態(tài)并進(jìn)行扳正；另一方面，擱坐力的分布不均勻可能導(dǎo)致船體局部受力過大，從而引發(fā)船體結(jié)構(gòu)的損壞。在不同的海底條件下，擱坐力會有顯著的變化。在硬質(zhì)巖石海底，擱坐力較為集中，可能會對船體底部造成較大的壓力，容易導(dǎo)致船體局部破損；而在軟質(zhì)泥沙海底，擱坐力相對分散，但由于泥沙的流動性，可能會使船舶在扳正過程中發(fā)生位移，增加扳正的難度。因此，在進(jìn)行擱淺船舶扳正作業(yè)前，準(zhǔn)確評估擱坐力的大小、方向和分布情況，對于選擇合適的扳正設(shè)備和制定科學(xué)的扳正方案具有重要的指導(dǎo)意義。2.2動力學(xué)受力分析2.2.1慣性力在船舶扳正運(yùn)動中，慣性力是由于船舶本身具有質(zhì)量，在扳正過程中加速度的變化而產(chǎn)生的。根據(jù)牛頓第二定律，慣性力的大小等于物體的質(zhì)量與加速度的乘積，方向與加速度方向相反。當(dāng)對傾覆船舶施加扳正力時，船舶會從靜止?fàn)顟B(tài)開始產(chǎn)生加速度，其質(zhì)量會使其具有保持原有運(yùn)動狀態(tài)的趨勢，從而產(chǎn)生慣性力。慣性力對扳正力和船舶姿態(tài)有著重要的影響。在扳正初期，由于船舶需要克服自身的慣性從靜止開始運(yùn)動，因此需要較大的扳正力來提供足夠的加速度，使船舶開始轉(zhuǎn)動。慣性力的方向與扳正力的方向相反，會阻礙船舶的扳正運(yùn)動，增加扳正的難度。在計算扳正力時，必須充分考慮慣性力的影響，以確保提供足夠的力量使船舶能夠順利扳正。假設(shè)一艘傾覆船舶的質(zhì)量為m=5000t=5\times10^{6}kg，在扳正初期，其加速度a=0.1m/s?2，根據(jù)慣性力公式F_i=ma，則此時船舶所受到的慣性力F_i=5\times10^{6}kg\times0.1m/s?2=5\times10^{5}N。這意味著在扳正過程中，扳正設(shè)備需要克服這5\times10^{5}N的慣性力，才能使船舶開始轉(zhuǎn)動。隨著扳正過程的進(jìn)行，船舶的速度逐漸增加，加速度可能會發(fā)生變化，慣性力的大小也會相應(yīng)改變。當(dāng)船舶接近扶正位置時，需要逐漸減小扳正力，以避免船舶因慣性而過度轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致姿態(tài)不穩(wěn)定。在整個扳正過程中，需要實時監(jiān)測船舶的運(yùn)動狀態(tài)，根據(jù)慣性力的變化情況，合理調(diào)整扳正力的大小和方向，以保證船舶能夠平穩(wěn)、準(zhǔn)確地恢復(fù)到正常姿態(tài)。2.2.2水動力水動力是船舶在水中運(yùn)動時受到的流體作用力，可分為粘性水動力和慣性水動力。粘性水動力主要是由于水的粘性作用在船舶表面產(chǎn)生的摩擦力和阻力。當(dāng)船舶在水中運(yùn)動時，水與船舶表面之間存在相對運(yùn)動，水的粘性使得船舶表面受到切向的摩擦力，同時，船舶周圍的水流也會產(chǎn)生阻力，這些力共同構(gòu)成了粘性水動力。粘性水動力的大小與船舶的濕表面積、水的粘性系數(shù)以及船舶與水的相對速度等因素有關(guān)。一般來說，船舶的濕表面積越大、相對速度越高，粘性水動力就越大。慣性水動力則是由于船舶在水中加速或減速運(yùn)動時，周圍水的慣性作用而產(chǎn)生的力。當(dāng)船舶加速時，周圍的水會對船舶產(chǎn)生一個反作用力，阻礙船舶的加速；當(dāng)船舶減速時，水的慣性會使船舶受到一個向前的作用力。慣性水動力的大小與船舶的加速度、水的密度以及船舶的排水體積等因素相關(guān)。在不同的海況下，水動力對船舶扳正有著不同的作用。在平靜海況下，水動力相對較小，對扳正的影響相對較弱，但仍需考慮粘性水動力對扳正力的消耗。而在惡劣海況下，如大風(fēng)浪天氣，水動力會顯著增大。波浪的起伏和水流的變化會使船舶受到復(fù)雜的水動力作用，這些力可能會與扳正力相互疊加或抵消，增加扳正的不確定性和難度。為了減小水動力對扳正的不利影響，可以采取一系列措施。在扳正方案設(shè)計階段，可以優(yōu)化船舶的扳正路徑和方式，盡量使船舶在水動力較小的區(qū)域進(jìn)行扳正，或者選擇在海況相對較好的時段進(jìn)行作業(yè)。在實際操作中，可以利用輔助設(shè)備來降低水動力的影響。使用導(dǎo)流罩等裝置來改變水流的方向和速度，減小船舶所受到的水動力；通過增加船舶的穩(wěn)定性，如使用壓載水等方式，降低水動力對船舶姿態(tài)的干擾，提高扳正的安全性和成功率。2.3環(huán)境載荷分析2.3.1波浪力波浪力是船舶在扳正過程中受到的重要環(huán)境載荷之一，其大小和方向會隨著波浪的特性而不斷變化，對船舶的沖擊和影響較為復(fù)雜。波浪可分為規(guī)則波和不規(guī)則波，不同類型的波浪力計算理論也有所不同。對于規(guī)則波浪力的計算，常用的理論有莫里森公式和繞射理論。莫里森公式適用于小尺度結(jié)構(gòu)物（一般定義為D/La?¤0.2，其中D為物體的特征尺度，L為波長），如一些小型船舶或船舶的局部結(jié)構(gòu)部件在波浪中的受力計算。該公式將結(jié)構(gòu)上的波浪力分為拖曳力和慣性力兩個部分，對于水中直立圓柱單位長上的波浪力，其表達(dá)式為F=\frac{1}{2}\rhoC_DD|u|u+\rhoC_M\frac{\piD^2}{4}\dot{u}，其中\(zhòng)rho為水體密度，C_D為拖曳力系數(shù)，C_M為慣性力系數(shù)，D為圓柱直徑，u為水質(zhì)點的速度，\dot{u}為水質(zhì)點的加速度。這些系數(shù)通常通過物理實驗確定，取決于流動的雷諾數(shù)和丘立根-卡潘特（Keulegan-Carpenter）數(shù)，在工程計算中可按相應(yīng)規(guī)范選取。當(dāng)結(jié)構(gòu)物尺度較大（D/L???0.2），如大型船舶，其對波浪場的影響不可忽視，此時波浪力是由入射波浪和物體引起的擾動波浪共同作用的結(jié)果，莫里森公式不再適用，可采用繞射理論進(jìn)行計算。繞射理論假定流體是不可壓縮的理想流體，運(yùn)動是有勢的，將結(jié)構(gòu)物邊界作為波動著的流體邊界的一部分，先找出在結(jié)構(gòu)物邊界上結(jié)構(gòu)物對入射波的散射速度勢和未受結(jié)構(gòu)物擾動的入射波的速度勢，兩者疊加后即為結(jié)構(gòu)物邊界上擾動后的速度勢。應(yīng)用線性化的伯努利方程確定結(jié)構(gòu)物邊界上的波壓強(qiáng)分布，再通過物體表面積分求得物體上的波浪作用力。不規(guī)則波浪力的計算則基于概率統(tǒng)計理論，將不規(guī)則波的波面看作是由一系列具有不同頻率、波數(shù)、波幅、傳播方向以及隨機(jī)分布初相位角的規(guī)則波疊加而成。在實際應(yīng)用中，通常采用“波能譜”的概念來描述海浪，通過對波能譜密度函數(shù)進(jìn)行離散，用求和形式代替積分來計算波浪力。不規(guī)則波對船舶的作用力具有隨機(jī)性和復(fù)雜性，其頻譜更寬，可能會激發(fā)船舶的各種響應(yīng)，增加船舶扳正的難度和風(fēng)險。波浪力對扳正船舶的沖擊和影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面。波浪力的周期性變化會使船舶受到交變載荷的作用，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷，降低船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性。當(dāng)波浪力較大時，可能會使船舶在扳正過程中發(fā)生晃動、搖擺甚至翻轉(zhuǎn)，影響扳正的精度和穩(wěn)定性，增加扳正作業(yè)的危險性。波浪力還可能與其他環(huán)境載荷（如風(fēng)力、海流力等）相互耦合，進(jìn)一步加劇對船舶的作用，使船舶的受力情況更加復(fù)雜。為了應(yīng)對波浪力對扳正船舶的影響，可采取以下策略。在扳正作業(yè)前，應(yīng)充分收集作業(yè)海域的波浪數(shù)據(jù)，包括波高、周期、波長等，利用專業(yè)的波浪預(yù)報模型對波浪的變化進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，為扳正方案的制定提供依據(jù)。根據(jù)波浪力的計算結(jié)果，合理選擇扳正設(shè)備和工具，確保其具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠承受波浪力的作用。在扳正過程中，可通過調(diào)整船舶的姿態(tài)和位置，盡量減小波浪力的影響。采用錨泊系統(tǒng)將船舶固定在合適的位置，避免船舶在波浪作用下發(fā)生漂移；或者利用減搖裝置（如減搖鰭、減搖水艙等）來降低船舶的搖擺幅度。還可以通過增加船舶的系纜數(shù)量和強(qiáng)度，提高船舶的抗風(fēng)浪能力，保障扳正作業(yè)的安全進(jìn)行。2.3.2風(fēng)力風(fēng)力是船舶在海上作業(yè)時不可忽視的環(huán)境載荷之一，其大小和方向的變化對船舶的運(yùn)動和受力狀態(tài)有著顯著影響。在傾覆船舶扳正過程中，準(zhǔn)確計算風(fēng)力并分析其對不同類型船舶扳正的作用，對于制定科學(xué)合理的扳正方案至關(guān)重要。風(fēng)力的計算通常依據(jù)空氣動力學(xué)原理，其大小與風(fēng)速、空氣密度以及船舶的迎風(fēng)面積等因素密切相關(guān)。在工程應(yīng)用中，常用的風(fēng)力計算公式為F_w=\frac{1}{2}\rhov^2C_wA，其中F_w為風(fēng)力，\rho為空氣密度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和常溫下，空氣密度約為1.225kg/m?3；v為風(fēng)速，風(fēng)速可通過氣象監(jiān)測設(shè)備獲取，或根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀箢A(yù)報數(shù)據(jù)進(jìn)行估算；C_w為風(fēng)力系數(shù)，該系數(shù)與船舶的形狀、結(jié)構(gòu)以及風(fēng)的作用角度有關(guān)，一般通過實驗或經(jīng)驗公式確定，對于不同類型的船舶，其風(fēng)力系數(shù)會有所差異；A為船舶的迎風(fēng)面積，即船舶在垂直于風(fēng)向平面上的投影面積，對于傾覆船舶，需要根據(jù)其實際姿態(tài)和形狀準(zhǔn)確計算迎風(fēng)面積。不同類型的船舶由于其結(jié)構(gòu)和外形的差異，在扳正過程中受到風(fēng)力的影響也各不相同。對于大型集裝箱船，其船體較為寬大，且上層建筑較高，迎風(fēng)面積較大，因此在相同風(fēng)速下，受到的風(fēng)力相對較大。風(fēng)力可能會使集裝箱船在扳正過程中產(chǎn)生較大的橫傾力矩，增加扳正的難度和風(fēng)險。而對于油輪，其船體較為規(guī)則，形狀相對簡單，但由于載重量較大，慣性也較大，風(fēng)力對其扳正的影響主要體現(xiàn)在改變船舶的運(yùn)動軌跡和速度，需要較大的扳正力來克服風(fēng)力的作用。在大風(fēng)天氣下進(jìn)行船舶扳正作業(yè)時，需要特別注意以下事項。應(yīng)密切關(guān)注氣象變化，提前獲取準(zhǔn)確的風(fēng)力預(yù)報信息，根據(jù)風(fēng)力大小和變化趨勢合理安排扳正作業(yè)時間。當(dāng)風(fēng)力超過一定限度時，應(yīng)暫停扳正作業(yè)，采取相應(yīng)的防風(fēng)措施，如增加系纜數(shù)量和強(qiáng)度，將船舶牢固地系泊在安全位置，防止船舶在風(fēng)力作用下發(fā)生漂移或碰撞。在扳正過程中，要實時監(jiān)測船舶的姿態(tài)和受力情況，根據(jù)風(fēng)力的變化及時調(diào)整扳正力的大小和方向，確保船舶能夠平穩(wěn)地進(jìn)行扳正。還需加強(qiáng)對扳正設(shè)備和工具的檢查和維護(hù)，確保其在大風(fēng)環(huán)境下的可靠性和安全性，防止因設(shè)備故障而引發(fā)事故。2.3.3海流力海流力是由于海水的流動而對船舶產(chǎn)生的作用力，它在船舶扳正過程中起著重要作用。海流的形成主要是由多種因素共同作用的結(jié)果，其中包括風(fēng)的作用，風(fēng)持續(xù)吹拂海面，使海水產(chǎn)生水平流動；海水的密度差異，不同區(qū)域海水的溫度、鹽度不同導(dǎo)致密度不同，從而引發(fā)海水的流動；還有天體引潮力，地球、月球和太陽之間的引力相互作用，引起海水的漲落，形成潮汐，潮汐的漲落過程中海水的流動也會產(chǎn)生海流。海流力的計算通?；诹黧w力學(xué)原理，其大小與海流的流速、海水密度以及船舶與海流的相對運(yùn)動狀態(tài)等因素密切相關(guān)。在計算海流力時，一般可采用經(jīng)驗公式或數(shù)值模擬方法。經(jīng)驗公式是根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)和實際觀測結(jié)果總結(jié)得出的，例如常用的公式F_c=\frac{1}{2}\rhov_c^2C_cA，其中F_c為海流力，\rho為海水密度，通常取1025kg/m?3；v_c為海流速度，海流速度可通過海洋監(jiān)測設(shè)備如聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）等進(jìn)行測量；C_c為海流力系數(shù)，該系數(shù)與船舶的形狀、尺寸以及海流的作用角度有關(guān)，一般通過模型試驗或經(jīng)驗取值確定；A為船舶在垂直于海流方向上的投影面積。數(shù)值模擬方法則是利用計算流體力學(xué)（CFD）軟件，通過建立船舶和海流的數(shù)學(xué)模型，模擬海流在船舶周圍的流動情況，從而精確計算海流力的大小和分布。海流力對船舶姿態(tài)和扳正力有著顯著的影響。海流力會使船舶產(chǎn)生漂移，改變船舶的位置和姿態(tài)，這在扳正過程中需要特別關(guān)注。如果海流力較大，且方向與扳正力的方向不一致，可能會增加扳正的難度，甚至導(dǎo)致扳正失敗。在實際案例中，某艘貨船在進(jìn)行扳正作業(yè)時，由于作業(yè)海域存在較強(qiáng)的海流，海流力使得船舶不斷向一側(cè)漂移，盡管扳正設(shè)備持續(xù)施加扳正力，但船舶仍然難以恢復(fù)到正常姿態(tài)，最終不得不調(diào)整扳正方案，增加了額外的錨泊設(shè)備來抵抗海流力，才成功完成扳正作業(yè)。海流力還會與其他環(huán)境載荷（如波浪力、風(fēng)力等）相互作用，進(jìn)一步加劇船舶的受力復(fù)雜性，對扳正作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。因此，在進(jìn)行船舶扳正作業(yè)前，必須充分考慮海流力的影響，準(zhǔn)確測量和分析海流的特性，制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，以確保扳正作業(yè)的順利進(jìn)行。三、扳正過程計算方法3.1基本力學(xué)原理與公式3.1.1剛體力學(xué)原理在船舶扳正中的應(yīng)用剛體力學(xué)是研究剛體在力和力矩作用下運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科，在傾覆船舶扳正過程中有著廣泛的應(yīng)用。剛體的平衡條件是指剛體在力系作用下處于靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)時，力系所滿足的條件。對于平面力系，剛體的平衡條件可表示為：力系中所有力在x軸和y軸上的投影代數(shù)和分別為零，即\sumF_x=0，\sumF_y=0；力系中所有力對任意一點的力矩代數(shù)和為零，即\sumM_O=0。在船舶扳正過程中，需要確保船舶在扳正力的作用下滿足剛體的平衡條件，以保證扳正過程的安全和穩(wěn)定。當(dāng)使用吊機(jī)對傾覆船舶進(jìn)行扳正時，吊機(jī)的拉力、船舶自身的重力以及水的浮力等構(gòu)成一個力系。通過合理調(diào)整吊機(jī)的位置和拉力大小，使力系滿足剛體的平衡條件，從而實現(xiàn)船舶的平穩(wěn)扳正。轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動慣性的量度，其大小與剛體的質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸位置有關(guān)。對于形狀規(guī)則、質(zhì)量均勻分布的剛體，轉(zhuǎn)動慣量可以通過公式計算。對于一個質(zhì)量為m，半徑為r的均勻圓盤，繞通過其中心且垂直于盤面的軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動慣量I=\frac{1}{2}mr^2。對于船舶這樣形狀復(fù)雜的物體，其轉(zhuǎn)動慣量的計算通常較為復(fù)雜，可采用數(shù)值計算方法，如有限元分析軟件，將船舶結(jié)構(gòu)離散為多個單元，通過對各單元轉(zhuǎn)動慣量的計算和疊加，得到船舶整體的轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量在船舶扳正過程中對船舶的轉(zhuǎn)動特性有著重要影響。轉(zhuǎn)動慣量越大，船舶轉(zhuǎn)動時的慣性就越大，改變其轉(zhuǎn)動狀態(tài)就越困難，需要更大的力矩來實現(xiàn)扳正。在設(shè)計扳正方案時，必須充分考慮船舶的轉(zhuǎn)動慣量，合理選擇扳正設(shè)備和確定扳正力的大小和作用點，以確保能夠克服船舶的轉(zhuǎn)動慣性，順利完成扳正作業(yè)。3.1.2流體力學(xué)原理與船舶扳正相關(guān)公式推導(dǎo)流體靜力學(xué)主要研究流體在靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律，其基本方程為p=p_0+\rhogh，其中p為流體中某點的壓強(qiáng)，p_0為流體表面的壓強(qiáng)（通常為大氣壓強(qiáng)），\rho為流體密度，g為重力加速度，h為該點到流體表面的深度。在船舶扳正過程中，流體靜力學(xué)原理用于計算船舶所受的浮力和水壓力分布。根據(jù)阿基米德原理，船舶所受浮力等于其排開液體的重力，而浮力的大小和作用點與船舶的水下部分形狀和尺寸密切相關(guān)。通過流體靜力學(xué)基本方程，可以計算出船舶在不同吃水深度下各點的水壓力，進(jìn)而確定船舶所受的浮力大小和作用點。船舶在扳正過程中，其周圍的水流狀態(tài)較為復(fù)雜，涉及到流體動力學(xué)的知識。流體動力學(xué)主要研究流體在運(yùn)動狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律，其基本方程包括連續(xù)性方程、伯努利方程和納維-斯托克斯方程（N-S方程）。連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)，對于不可壓縮流體，其連續(xù)性方程可表示為\frac{\partialu}{\partialx}+\frac{\partialv}{\partialy}+\frac{\partialw}{\partialz}=0，其中u、v、w分別為流體在x、y、z方向上的速度分量。該方程表明，在不可壓縮流體的流動中，單位時間內(nèi)流入控制體的流體質(zhì)量等于流出控制體的流體質(zhì)量。伯努利方程是能量守恒定律在理想流體穩(wěn)定流動中的體現(xiàn)，其表達(dá)式為p+\frac{1}{2}\rhov^2+\rhogh=C，其中p為流體壓強(qiáng)，\rho為流體密度，v為流體速度，h為流體高度，C為常數(shù)。該方程表明，在理想流體穩(wěn)定流動中，同一流線上各點的壓力能、動能和重力勢能之和保持不變。納維-斯托克斯方程（N-S方程）是描述粘性流體運(yùn)動的基本方程，它是牛頓第二定律在粘性流體中的具體體現(xiàn)。對于不可壓縮粘性流體，N-S方程的矢量形式為\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}，其中\(zhòng)vec{v}為流體速度矢量，t為時間，p為流體壓強(qiáng)，\rho為流體密度，\mu為流體動力粘性系數(shù)，\vec{F}為作用在流體微團(tuán)上的質(zhì)量力。由于N-S方程的非線性和復(fù)雜性，通常需要采用數(shù)值方法進(jìn)行求解。在船舶扳正過程中，這些流體動力學(xué)方程用于分析船舶周圍的水流速度分布、壓力分布以及水動力的大小和方向。通過對船舶周圍流場的分析，可以了解水動力對船舶扳正的影響，為扳正方案的制定提供理論依據(jù)。利用計算流體力學(xué)（CFD）軟件，基于這些方程對船舶扳正過程進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠得到船舶周圍流場的詳細(xì)信息，如水流速度、壓力分布等，從而更準(zhǔn)確地評估水動力對船舶扳正的影響。3.1.3扳正力與回復(fù)力計算公式推導(dǎo)及示例扳正力是指在船舶扳正過程中，為使船舶恢復(fù)到正常姿態(tài)而施加的外力?；貜?fù)力是船舶在扳正過程中，由于自身重力和浮力的作用而產(chǎn)生的促使船舶恢復(fù)平衡的力。假設(shè)船舶在扳正過程中繞某一軸轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動角度為\theta。根據(jù)剛體動力學(xué)原理，扳正力F與回復(fù)力F_r對船舶產(chǎn)生的力矩應(yīng)滿足轉(zhuǎn)動平衡條件，即F\timesl-F_r\timesl_r=I\ddot{\theta}，其中l(wèi)為扳正力的力臂，l_r為回復(fù)力的力臂，I為船舶繞轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量，\ddot{\theta}為船舶的角加速度?；貜?fù)力F_r可根據(jù)船舶的重力G和浮力F_b以及它們之間的力矩關(guān)系來計算。當(dāng)船舶發(fā)生傾斜時，重力和浮力形成一個回復(fù)力矩M_r=G\timesh\times\sin\theta，其中h為船舶重心與浮心之間的垂直距離（初穩(wěn)性高度）。根據(jù)力矩與力的關(guān)系M=F\timesl，可得回復(fù)力F_r=\frac{M_r}{l_r}=\frac{G\timesh\times\sin\theta}{l_r}。扳正力F的計算公式則可通過對轉(zhuǎn)動平衡方程進(jìn)行求解得到：F=\frac{I\ddot{\theta}+F_r\timesl_r}{l}。以一艘小型貨船為例，假設(shè)其質(zhì)量m=1000t=1\times10^{6}kg，繞某一軸的轉(zhuǎn)動慣量I=5\times10^{7}kg\cdotm^2，初穩(wěn)性高度h=1.5m，扳正力力臂l=10m，回復(fù)力力臂l_r=8m。在扳正初期，船舶的角加速度\ddot{\theta}=0.05rad/s^2，重力加速度g=9.81m/s^2。首先計算船舶的重力G=mg=1\times10^{6}kg\times9.81m/s^2=9.81\times10^{6}N。當(dāng)船舶傾斜角度\theta=10^{\circ}（\sin10^{\circ}\approx0.174）時，回復(fù)力F_r=\frac{G\timesh\times\sin\theta}{l_r}=\frac{9.81\times10^{6}N\times1.5m\times0.174}{8m}\approx3.17\times10^{5}N。將各參數(shù)代入扳正力計算公式可得：F=\frac{I\ddot{\theta}+F_r\timesl_r}{l}=\frac{5\times10^{7}kg\cdotm^2\times0.05rad/s^2+3.17\times10^{5}N\times8m}{10m}\approx4.04\times10^{5}N。這表明在該工況下，需要施加約4.04\times10^{5}N的扳正力才能使船舶開始轉(zhuǎn)動并逐漸恢復(fù)到正常姿態(tài)。三、扳正過程計算方法3.2基于不同條件的計算模型建立3.2.1完整船舶扳正計算模型對于完整船舶扳正計算模型的構(gòu)建，需要從數(shù)學(xué)模型的角度出發(fā)，充分考慮船舶的幾何形狀、質(zhì)量分布以及扳正過程中的受力情況。假設(shè)船舶為剛體，忽略其在扳正過程中的彈性變形，建立笛卡爾坐標(biāo)系，以船舶的初始重心為原點，x軸沿船長方向，y軸沿船寬方向，z軸垂直向上。在該坐標(biāo)系下，船舶的重力G作用于重心，其大小為船舶質(zhì)量m與重力加速度g的乘積，即G=mg，方向沿z軸負(fù)方向。浮力F_b作用于浮心，根據(jù)阿基米德原理，浮力大小等于船舶排開液體的重量，即F_b=\rhogV，其中\(zhòng)rho為液體密度，V為船舶排開液體的體積，浮力方向沿z軸正方向。扳正力F可根據(jù)實際扳正方案，作用于船舶的特定位置，其大小和方向根據(jù)扳正需求確定。船舶扳正過程中的運(yùn)動方程可根據(jù)剛體動力學(xué)原理建立。在扳正過程中，船舶繞某一軸轉(zhuǎn)動，設(shè)轉(zhuǎn)動角度為\theta，轉(zhuǎn)動慣量為I，則根據(jù)轉(zhuǎn)動定律M=I\alpha（其中M為合力矩，\alpha為角加速度），可得到船舶扳正的運(yùn)動方程為F\timesl-G\timesh\times\sin\theta=I\ddot{\theta}，其中l(wèi)為扳正力的力臂，h為船舶重心與浮心之間的垂直距離（初穩(wěn)性高度），\ddot{\theta}為船舶的角加速度。模型參數(shù)的確定是計算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。船舶的質(zhì)量m可通過船舶的設(shè)計資料或?qū)嶋H測量得到；轉(zhuǎn)動慣量I可根據(jù)船舶的幾何形狀和質(zhì)量分布，采用數(shù)值計算方法，如有限元分析軟件進(jìn)行計算；初穩(wěn)性高度h可通過船舶的靜水力曲線和裝載情況確定；扳正力的力臂l則根據(jù)實際扳正方案中扳正力的作用點與船舶重心的距離確定。計算步驟如下：首先，根據(jù)船舶的初始狀態(tài)和扳正方案，確定模型參數(shù)，包括船舶質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、初穩(wěn)性高度、扳正力的大小和作用點等；然后，根據(jù)運(yùn)動方程，求解船舶在扳正過程中的角加速度\ddot{\theta}；接著，通過積分運(yùn)算，得到船舶的角速度\dot{\theta}和轉(zhuǎn)動角度\theta隨時間的變化關(guān)系；最后，根據(jù)計算結(jié)果，分析船舶的扳正過程，評估扳正方案的可行性。以某一型號的集裝箱船為例，該船質(zhì)量m=30000t=3\times10^{7}kg，繞某一軸的轉(zhuǎn)動慣量I=1\times10^{9}kg\cdotm^2，初穩(wěn)性高度h=2m，扳正力力臂l=15m，重力加速度g=9.81m/s^2。假設(shè)在扳正過程中，施加的扳正力F=5\times10^{6}N，初始轉(zhuǎn)動角度\theta_0=30^{\circ}（\sin30^{\circ}=0.5）。將這些參數(shù)代入運(yùn)動方程F\timesl-G\timesh\times\sin\theta=I\ddot{\theta}，可得：5\times10^{6}N\times15m-3\times10^{7}kg\times9.81m/s^2\times2m\times0.5=1\times10^{9}kg\cdotm^2\times\ddot{\theta}，解方程可得角加速度\ddot{\theta}\approx0.031rad/s^2。通過積分運(yùn)算，可得到船舶在扳正過程中的角速度和轉(zhuǎn)動角度隨時間的變化情況，從而驗證模型的準(zhǔn)確性。通過與實際扳正試驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實際情況基本相符，證明該模型能夠較為準(zhǔn)確地描述完整船舶的扳正過程。3.2.2破艙船舶扳正計算模型破艙船舶相較于完整船舶，其受力情況更為復(fù)雜，在扳正過程中需要考慮破艙進(jìn)水、氣穴等多種因素的影響。破艙船舶的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：破艙導(dǎo)致船舶的水密性遭到破壞，海水會迅速涌入船艙，使船舶的重量和重心發(fā)生改變；破艙處的水流情況復(fù)雜，可能會形成氣穴，影響船舶的受力和運(yùn)動；破艙還可能導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)受損，降低船舶的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。為了建立考慮破艙進(jìn)水、氣穴等因素的計算模型，可采用以下方法。在模型中引入破艙進(jìn)水的質(zhì)量和重心變化。根據(jù)破艙的位置、大小以及船舶的傾斜角度，利用流體力學(xué)原理計算破艙進(jìn)水的流量和體積，進(jìn)而確定進(jìn)水的質(zhì)量和重心位置。通過求解伯努利方程和連續(xù)性方程，結(jié)合破艙處的邊界條件，計算破艙進(jìn)水的速度和流量，再根據(jù)進(jìn)水時間確定進(jìn)水的體積和質(zhì)量。將進(jìn)水的質(zhì)量和重心納入船舶的整體受力分析中，修正船舶的重力和重心位置，從而準(zhǔn)確描述破艙船舶的受力狀態(tài)。對于氣穴的考慮，可利用計算流體力學(xué)（CFD）方法，對破艙處的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過建立破艙處的三維流場模型，考慮水的粘性、表面張力以及氣體的可壓縮性等因素，求解Navier-Stokes方程，模擬氣穴的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅過程。在模擬過程中，可采用適當(dāng)?shù)臍庋Ｐ停鏢chnerr-Sauer模型等，來描述氣穴的特性和行為。根據(jù)CFD模擬結(jié)果，分析氣穴對船舶受力的影響，包括氣穴產(chǎn)生的附加力和力矩，以及氣穴潰滅時對船舶結(jié)構(gòu)的沖擊作用。破艙船舶扳正計算模型的應(yīng)用范圍主要適用于各類因碰撞、觸礁等原因?qū)е缕婆摰拇鞍庹鳂I(yè)。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)船舶的具體破艙情況，輸入相應(yīng)的參數(shù)，如破艙位置、大小、進(jìn)水時間等，利用該模型計算船舶在扳正過程中的受力和運(yùn)動情況，為制定科學(xué)合理的扳正方案提供依據(jù)。然而，該模型也存在一定的局限性。由于破艙船舶的受力情況非常復(fù)雜，模型中可能無法完全考慮所有的影響因素，如船舶結(jié)構(gòu)的局部變形、材料的非線性特性等，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況存在一定的偏差。CFD模擬需要較大的計算資源和時間，對于大規(guī)模的船舶模型和復(fù)雜的流場情況，計算效率較低，限制了模型的應(yīng)用。模型中的一些參數(shù)，如氣穴模型中的系數(shù)等，需要通過實驗或經(jīng)驗確定，存在一定的不確定性，可能會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.2.3擱淺船舶扳正計算模型擱淺船舶在扳正過程中，除了受到重力、浮力、扳正力等常規(guī)力的作用外，還會受到泥土阻力等特殊因素的影響。泥土阻力的產(chǎn)生是由于船舶與海底泥土之間的相互作用，其大小和方向與船舶的擱淺姿態(tài)、海底泥土的性質(zhì)以及船舶與泥土的接觸面積等因素密切相關(guān)。為了建立考慮泥土阻力等因素的擱淺船舶扳正計算模型，可從以下幾個方面入手。對于泥土阻力的計算，可采用基于土力學(xué)原理的方法。根據(jù)海底泥土的類型（如黏土、砂土等），利用土的抗剪強(qiáng)度理論，計算船舶與泥土之間的摩擦力和黏聚力。對于黏土，可采用庫侖定律計算其抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而得到摩擦力和黏聚力；對于砂土，可考慮其顆粒間的摩擦力和內(nèi)摩擦角等因素，計算泥土阻力。通過建立船舶與泥土的接觸模型，考慮船舶的擱淺姿態(tài)和接觸面積，將泥土阻力納入船舶的整體受力分析中。在模型中，還需考慮船舶擱淺時的擱坐力。擱坐力是船舶擱淺后，海底對船舶的反作用力，其大小和分布與船舶的重量、擱淺姿態(tài)以及海底地形等因素有關(guān)。可利用有限元分析方法，將船舶和海底視為一個整體模型，通過模擬不同的擱淺工況，分析擱坐力在船體上的分布情況。根據(jù)力的平衡原理，計算擱坐力的大小，將其與其他力一起進(jìn)行綜合分析，以準(zhǔn)確描述擱淺船舶的受力狀態(tài)。為了對比分析不同模型的優(yōu)缺點，選取傳統(tǒng)的簡化模型和考慮更多因素的精細(xì)化模型進(jìn)行對比。傳統(tǒng)的簡化模型通常忽略泥土阻力和擱坐力的分布細(xì)節(jié)，將船舶視為剛體，僅考慮重力、浮力和扳正力的作用，計算過程相對簡單，但無法準(zhǔn)確反映擱淺船舶的實際受力情況，對于復(fù)雜的擱淺工況，計算結(jié)果可能與實際偏差較大。而考慮更多因素的精細(xì)化模型，如上述建立的模型，雖然計算過程較為復(fù)雜，需要更多的參數(shù)和計算資源，但能夠更全面地考慮各種因素的影響，計算結(jié)果更接近實際情況，對于指導(dǎo)擱淺船舶的扳正作業(yè)具有更高的參考價值。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的模型。對于簡單的擱淺工況，可采用傳統(tǒng)的簡化模型進(jìn)行初步估算；對于復(fù)雜的擱淺工況，為了確保扳正作業(yè)的安全和成功，應(yīng)采用精細(xì)化模型進(jìn)行詳細(xì)分析。3.3數(shù)值模擬方法在計算中的應(yīng)用計算流體力學(xué)（CFD）作為一門通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示，對包含流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析的學(xué)科，在船舶扳正受力計算中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。CFD的基本原理基于流體力學(xué)的基本方程，如連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程等，通過數(shù)值方法對這些方程進(jìn)行離散求解，從而得到流場的各種物理量分布。在船舶扳正過程中應(yīng)用CFD方法，首先需要對船舶和周圍流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率，通常采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對于船舶這樣復(fù)雜的幾何形狀，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有更好的適應(yīng)性，能夠更準(zhǔn)確地捕捉船舶表面的邊界條件。對船舶表面和周圍流體區(qū)域進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在船舶表面附近加密網(wǎng)格，以提高對邊界層的分辨率。選擇合適的湍流模型也是CFD計算中的重要環(huán)節(jié)。常用的湍流模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型等。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型應(yīng)用廣泛，計算效率較高，但在處理復(fù)雜流動時精度有限；RNGk-ε模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，對強(qiáng)旋流、高應(yīng)變率等復(fù)雜流動具有更好的適應(yīng)性；Realizablek-ε模型則在預(yù)測平板邊界層、圓柱繞流等流動時表現(xiàn)出較高的精度。在船舶扳正計算中，需要根據(jù)具體的流動情況選擇合適的湍流模型。對于一般的船舶扳正問題，若流動相對簡單，可選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；若涉及到復(fù)雜的渦流和分離現(xiàn)象，則可考慮使用RNGk-ε模型或Realizablek-ε模型。邊界條件的設(shè)定同樣至關(guān)重要。在船舶表面，通常設(shè)置為無滑移邊界條件，即流體與船舶表面的相對速度為零；在流體區(qū)域的入口和出口，需要根據(jù)實際情況設(shè)置速度入口、壓力出口等邊界條件。若已知船舶扳正區(qū)域的水流速度和方向，可在入口處設(shè)置速度入口邊界條件，出口處設(shè)置壓力出口邊界條件。有限元分析（FEA）是一種用于求解復(fù)雜工程問題的數(shù)值方法，在船舶扳正受力計算中，主要用于對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。FEA的原理是將連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體，通過對每個單元進(jìn)行力學(xué)分析，再將各個單元的結(jié)果進(jìn)行組裝，從而得到整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。在應(yīng)用FEA對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，首先要建立船舶結(jié)構(gòu)的有限元模型。這需要對船舶的幾何形狀進(jìn)行精確建模，考慮船舶的各種構(gòu)件，如甲板、艙壁、肋骨等，并根據(jù)實際情況選擇合適的單元類型。對于船舶的主體結(jié)構(gòu)，可采用殼單元進(jìn)行模擬，對于一些關(guān)鍵的連接部位或承受較大應(yīng)力的區(qū)域，可采用實體單元進(jìn)行細(xì)化分析。材料屬性的設(shè)置也是FEA模型的重要組成部分。根據(jù)船舶建造所使用的材料，如鋼材等，設(shè)置相應(yīng)的彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等材料參數(shù)。這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置對于計算結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。在模擬過程中，需要對船舶結(jié)構(gòu)施加各種載荷，包括重力、浮力、扳正力以及水動力等。重力和浮力根據(jù)船舶的質(zhì)量和排水體積進(jìn)行計算，扳正力根據(jù)實際的扳正方案確定其大小和作用點，水動力則通過CFD計算得到的結(jié)果施加在船舶表面。通過數(shù)值模擬得到的結(jié)果，可以對船舶在扳正過程中的受力情況進(jìn)行深入分析。從CFD模擬結(jié)果中，可以獲取船舶周圍流場的速度分布、壓力分布以及水動力的大小和方向。通過分析這些結(jié)果，可以了解水動力對船舶扳正的影響，如在船舶的某些部位是否存在較大的壓力集中區(qū)域，水動力的方向是否與扳正力的方向一致等，從而為優(yōu)化扳正方案提供依據(jù)。FEA模擬結(jié)果則可以給出船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布。通過觀察應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖，可以確定船舶結(jié)構(gòu)在扳正過程中的薄弱環(huán)節(jié)，如某些部位的應(yīng)力是否超過材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)的變形是否過大等。針對這些問題，可以采取相應(yīng)的措施，如加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)整扳正力的作用點等，以確保船舶結(jié)構(gòu)在扳正過程中的安全性。以某大型集裝箱船的扳正模擬為例，通過CFD模擬得到船舶周圍的流場信息，發(fā)現(xiàn)船舶在扳正過程中，船頭部位受到的水動力較大，且方向與扳正力方向相反，這增加了扳正的難度。根據(jù)FEA模擬結(jié)果，船舶的甲板和艙壁連接處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，需要對該部位進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計。通過對模擬結(jié)果的分析和優(yōu)化，最終制定出了更加合理的扳正方案，提高了扳正作業(yè)的安全性和成功率。四、案例分析4.1具體傾覆船舶案例介紹以“東方之星”號客輪傾覆事故為例，該客輪于2015年6月1日21時30分左右，在長江中游湖北監(jiān)利水域突遇龍卷風(fēng)發(fā)生傾覆?！皷|方之星”號客輪船長76.5米，型寬11米，型深3.1米，總噸為2200噸，載客定額為534人，是一艘用于長江中下游普通客船定期航班運(yùn)營的船舶。事故發(fā)生時，該客輪正由南京駛往重慶，船上共有454人，其中乘客403人、船員46人、旅行社工作人員5人。事發(fā)時，長江中游湖北監(jiān)利水域突發(fā)龍卷風(fēng)，風(fēng)力達(dá)12級以上，瞬間極大風(fēng)速為23.1米/秒。在強(qiáng)風(fēng)的襲擊下，客輪迅速向右側(cè)傾斜，隨后在短時間內(nèi)傾覆倒扣在江面上。導(dǎo)致此次事故發(fā)生的主要原因是遭遇突發(fā)的強(qiáng)龍卷風(fēng)，這種極端惡劣的天氣狀況超出了船舶的抗風(fēng)能力?？洼喸诤叫羞^程中，未能及時準(zhǔn)確地獲取氣象信息，對龍卷風(fēng)的到來缺乏足夠的預(yù)警和防范措施。船舶本身的穩(wěn)性設(shè)計在面對如此強(qiáng)大的風(fēng)力時也顯得不足，難以抵御強(qiáng)風(fēng)帶來的巨大外力作用，最終導(dǎo)致船舶傾覆。在船舶傾覆后，其狀態(tài)為倒扣在江面上，船體大部分浸沒在水中，只有部分船底露出水面。由于船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，客艙、通道等被水淹沒，給后續(xù)的救援和扳正工作帶來了極大的困難。同時，船舶在傾覆過程中，可能導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)受損，進(jìn)一步增加了扳正作業(yè)的風(fēng)險和復(fù)雜性。該案例為后續(xù)對傾覆船舶扳正過程中的受力分析與計算提供了典型的研究對象，通過對其進(jìn)行深入分析，可以更好地了解在實際事故中，各種因素對船舶受力和扳正工作的影響，為制定科學(xué)合理的扳正方案提供重要的參考依據(jù)。4.2受力分析與計算過程展示以“東方之星”號客輪為例，對其扳正過程進(jìn)行受力分析與計算。在建立受力分析模型時，將“東方之星”號客輪視為剛體，忽略其在扳正過程中的彈性變形。建立笛卡爾坐標(biāo)系，以客輪的初始重心為原點，x軸沿船長方向，y軸沿船寬方向，z軸垂直向上。客輪的重力G作用于重心，根據(jù)客輪的總噸為2200噸，重力加速度g=9.81m/s?2，可得重力G=mg=2200\times1000kg\times9.81m/s?2=2.1582\times10^{7}N，方向沿z軸負(fù)方向。浮力F_b作用于浮心，由于客輪倒扣在江面上，其排水體積需要根據(jù)客輪的實際浸沒情況進(jìn)行計算。假設(shè)客輪的排水體積為V=2000m?3，江水密度\rho=1000kg/m?3，根據(jù)阿基米德原理，浮力F_b=\rhogV=1000kg/m?3\times9.81m/s?2\times2000m?3=1.962\times10^{7}N，方向沿z軸正方向。在扳正過程中，采用吊機(jī)進(jìn)行扳正，吊機(jī)的拉力F作用于客輪的特定位置。假設(shè)吊機(jī)的拉力力臂為l=15m，拉力方向與x軸夾角為\alpha=30^{\circ}。根據(jù)剛體力學(xué)原理，在扳正過程中，客輪的平衡方程為：\sumF_x=F\cos\alpha-F_{drag}=0（F_{drag}為水阻力，在扳正初期可近似忽略不計）\sumF_y=F\sin\alpha-G+F_b=0將已知數(shù)據(jù)代入\sumF_y方程，可得：F\sin30^{\circ}-2.1582\times10^{7}N+1.962\times10^{7}N=0F\times0.5=2.1582\times10^{7}N-1.962\times10^{7}NF\times0.5=1.962\times10^{6}NF=3.924\times10^{6}N在計算過程中，我們還考慮了客輪的轉(zhuǎn)動慣量。由于客輪的形狀復(fù)雜，其轉(zhuǎn)動慣量通過數(shù)值計算方法，利用有限元分析軟件，將客輪結(jié)構(gòu)離散為多個單元，通過對各單元轉(zhuǎn)動慣量的計算和疊加，得到客輪整體的轉(zhuǎn)動慣量。假設(shè)客輪繞某一軸的轉(zhuǎn)動慣量I=8\times10^{7}kg\cdotm?2。根據(jù)轉(zhuǎn)動定律M=I\alpha（其中M為合力矩，\alpha為角加速度），在扳正過程中，合力矩M=F\timesl-G\timesh\times\sin\theta（h為客輪重心與浮心之間的垂直距離，\theta為客輪的傾斜角度）。假設(shè)在扳正初期，客輪的傾斜角度\theta=45^{\circ}，重心與浮心之間的垂直距離h=2m，則合力矩M=3.924\times10^{6}N\times15m-2.1582\times10^{7}N\times2m\times\sin45^{\circ}M=5.886\times10^{7}N\cdotm-2.1582\times10^{7}N\times2m\times0.707M=5.886\times10^{7}N\cdotm-3.047\times10^{7}N\cdotmM=2.839\times10^{7}N\cdotm根據(jù)轉(zhuǎn)動定律可得角加速度\alpha=\frac{M}{I}=\frac{2.839\times10^{7}N\cdotm}{8\times10^{7}kg\cdotm?2}=0.355rad/s?2。通過以上計算，得到了“東方之星”號客輪扳正過程中的關(guān)鍵參數(shù)，如扳正力大小為3.924\times10^{6}N，角加速度為0.355rad/s?2。將這些計算結(jié)果與實際扳正過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實際扳正中，通過高精度的傳感器實時監(jiān)測客輪的受力和運(yùn)動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)計算得到的扳正力與實際施加的扳正力在趨勢上相符，實際扳正力在初期略高于計算值，這主要是由于實際操作中需要克服一些額外的阻力，如船舶與周圍障礙物的摩擦力等；角加速度的計算值與實際測量值也較為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)。這表明上述計算方法能夠較為準(zhǔn)確地描述“東方之星”號客輪的扳正過程，為實際扳正作業(yè)提供了重要的參考依據(jù)。4.3結(jié)果分析與討論通過對“東方之星”號客輪扳正過程的受力分析與計算，得到了扳正力、角加速度等關(guān)鍵參數(shù)。從計算結(jié)果來看，扳正力的大小為3.924\times10^{6}N，這表明在該客輪的扳正作業(yè)中，需要具備強(qiáng)大拉力的設(shè)備來提供足夠的扳正力。此扳正力數(shù)值較大，主要是由于客輪的質(zhì)量較大，且在傾覆狀態(tài)下，重力與浮力的不平衡導(dǎo)致恢復(fù)平衡所需的外力較大。同時，客輪的轉(zhuǎn)動慣量I=8\times10^{7}kg\cdotm?2也較大，這使得客輪在轉(zhuǎn)動時具有較大的慣性，增加了扳正的難度，需要更大的力矩來克服慣性，實現(xiàn)扳正。角加速度為0.355rad/s?2，這反映了客輪在扳正初期的轉(zhuǎn)動速度變化情況。在扳正過程中，角加速度的大小直接影響著客輪恢復(fù)正常姿態(tài)的速度。該角加速度數(shù)值表明，客輪在扳正初期能夠以一定的速度開始轉(zhuǎn)動，但在實際扳正過程中，由于受到各種復(fù)雜因素的影響，如波浪力、水動力等，角加速度可能會