0 引 言

海上运输船舶往往装载大量工业原材料，当这些船舶发生事故，会使大量有害物质排入海洋与大气中，使海洋环境遭到破坏。船舶破损的原因有很多，破损的程度也各不相同。对于轻微的破损只是产生局部破裂，对船体本身的危害较小，造成的环境污染也很局限，这种情况的应急处理只要及时有效地进行破损处的封堵，防止事故的扩大，就不会对经济及环境造成严重影响。而对于破损严重的船舶，尤其造成船体大面积破损且表面状况复杂、变形严重的情况，传统的船舶应急处理方法已经无效，一方面破损事故得不到有效控制，会造成大量的财产损失，另一方面也会造成大面积的水域环境污染，而事故后期的处理除需要大量人力物力外，只能尽量减轻对环境的污染却无法彻底清除。而船舶应急封堵装置的作用便是对船舶失事时进行快速应急处理，从源头上降低事故影响^[1-2]。

1 船舶应急封堵装置主体结构设计 1.1 封堵装置整体结构模型及技术参数

船舶应急封堵技术主要是针对船舶突发事故的应急处理，而事故发生的海况、船舶破损的程度及位置、船体表面工况等均有不同，因此要求装置具有应急性、通用性、适应性、便携性。装置整体采用拖链式、可扩展模块单体结构，永磁吸附，如图 1 设计的应急封堵装置图，主要组成部分有吸附模块、支撑模块、链接模块和密封模块。封堵装置性能参数：自重 ≤ 50 kg；单体面积尺寸为 1.66×1.62 m²；单体封堵孔洞面积为1.5×1.5 m²；最大封堵力 ≤ 45 000 N。

封堵装置布放方式如图 2 所示。装置以卷状形式封装，当对船体破损处进行封堵时，装置A 部吸附模块先与船体表面进行吸附，然后将装置展开直至覆盖破损区域，最后装置B 部吸附模块与船体吸附固定，最终实现对船体破损处的封堵。

该封堵装置可将单体与单体连接使用，如图 3 所示，连接原理是在单体的连接模块中，设计有蘑菇头式锁扣连接结构可以根据实际破损尺寸组合连接，确定所需封堵装置工作用长度，选择单体模块数量。图 4 为组合式装置封堵示意图。

1.2 封堵装置主体支撑模块结构模型

船舶破损封堵装置主要由支撑模块、吸附模块、链接模块和密封模块共同组成。其中为整体结构提供承力作用的是支撑模块，装置在水下对船体进行封堵时，会受到海水压力和水流冲击力等。支撑模块的可靠性直接决定装置整体的工作性能和安全性能。支撑模块的结构强度越高，装置对船体破损处的封堵效果就越好，装置整体结构的安全性就越高，所以分析装置整体的可靠性就是对支撑模块主承力结构的强度分析。图 4 所示为装置支撑模块的各部分结构，重点分析支撑架、连接体和密封固定座部分，这几部分结构是封堵装置的主要受力部件，起到支撑作用，它们的强度范围也决定着支撑模块整体的安全性能。支撑模块的设计采用三段式，2 个磁力吸附模块可以绕连接体转动，最大转角可达 180°。支撑体中 2 个吸附模块相对转动是由连接体实现，连接体的另一个功能是实现单体与单体之间快速连接，在封堵装置中有 2 种连接体，一种上面带有蘑菇头，另一种带有插孔，当需要封堵装置组合使用时，只需使连接体上蘑菇头与插孔连接，即能使封堵装置组合使用^[3-4]。

2 支撑结构关键部件受力分析 2.1 密封布受力情况分析

支撑模块固定边缘受力分析如图 5 所示，由于密封布是正方形且属于柔性材料，受力变形较大，下面分析封堵深度为 2 m 的极限工况下密封布的受力情况。密封布受力作如下简化：1）各边受力相等；2）密封布受力点在中心点上；3）受力点周边受力均匀，即 11 个受力点所受到拉力相等。

其中 11 个固定点每个点对密封布的拉力大小为F_i（i=1，2，3…11），各固定点上的力与空间直角坐标系 3 个坐标轴的夹角分别为（α_i，β_i，θ_i）。当封堵装置在破口中心水下 2 m 进行封堵时，水对中心点的压力为：

$ F{\rm{ = }}\rho gh \cdot S = 1.03 \times {10^3} \times 9.8 \times 2 \times 2.25 = 45 \, 423 \,\, {\rm{N}}\text{。} $

(1)

式中：ρ 为海水密度，kg/m³；h 为破口中心点水深，m；S 为可封堵最大破口面积，m²。

每条边上承担竖直方向的力F_边 =F/4 = 11 356 N，也就是等于这个边上各个支撑点力的Z 向分力之和，即

$ {F_{\rm{i}}}(\cos {\theta _1} + \cos {\theta _2} + \cos {\theta _3} + \cdot \cdot \cdot + \cos {\theta _{11}}) = {F_{{\text{边}}}}\text{。} $

(2)

由于固定点的布置是以中间点对称，从中间点向两边相同位置点竖直方向的力相同，公式可简化为：

$ \begin{split}\\[-12pt] {F_{\rm{i}}}(2\cos {\theta _1}{\rm{ + }} & 2\cos {\theta _2}{\rm{ + }}2\cos {\theta _3}{\rm{ + }}2\cos {\theta _4}{\rm{ + }}\\ & 2\cos {\theta _5}{\rm{ + }}\cos {\theta _6}){\rm{ = }}{F_{{\text{边}}}}\text{。} \end{split} $

(3)

根据边长与点的位置关系可得到各角度的余弦值：cosθ₁ = 0.609 2，cosθ₂ = 0.639 6，cosθ₃ = 0.666 7，cosθ₄ = 0.688 2，cosθ₅ = 0.702 2，cosθ₆ = 0.707 1。求得F_i 的值

$ {F_{\rm{i}}}{\rm{ = }}{F_{{\text{边}}}}/7.3189 \approx 1552{\rm{N}}\text{。} $

(4)

通过公式F_i·cosα_i，F_i·cosβ_i 可求得各受力点X，Y 方向的分力。支撑体受到水平 X 方向的总力为：

$ \begin{split} \\[-12pt] {F_{{\text{平}}}}{\rm{ = }}& {F_{\rm{i}}}\left( {2\cos {\alpha _1}{\rm{ + }}2\cos {\alpha _2}{\rm{ + }}2\cos {\alpha _3}{\rm{ + }}} \right.\\ & \left. {2\cos {\alpha _4}{\rm{ + }}2\cos {\alpha _5}{\rm{ + }}\cos {\alpha _6}} \right) \text{，}\end{split} $

(5)

式中：cosα₁ = 0.609 2；cosα₂ = 0.639 6；cosα₃ = 0.666 7；cosα₄ = 0.688 2；cosα₅ = 0.702 2；cosα₆ = 0.707 1。

$ {F_{{\text{平}}}}{\rm{ = }}{F_{\rm{i}}} \times 7.3189{\rm{ = }}11356\,\, {\rm{N}}\text{，} $

(6)

Y 方向分力为F_icosβ_i，从整体上看该方向受力相互抵消，实际上支撑体内部受到相互挤压力的作用，正负 2 个方向的力相等，力的值为：

$ {F_{{\text{挤}}}}{\rm{ = }}{F_{\rm{i}}}(\cos {\beta _1} + \cos {\beta _2} + \cos {\beta _3} + \cos {\beta _4})\text{，} $

(7)

式中：cosα₁ = 0.507 6；cosα₂ = 0.426 4；cosα₃ = 0.333 3；cosα₄ = 0.234 1；cosα₅ = 0.117 0。

$ {F_{{\text{挤}}}}{\rm{ = }}{F_{\rm{i}}} \times 1.6184{\rm{ = }}2 \, 512 \, {\rm{N}}\text{。} $

(8)

2.2 支撑模块的受力计算和仿真分析

支撑模块两端的连接座负责将支撑模块与拖链连接（见图 6）。拖链通过螺栓固定到固定座上，拖链固定座可绕支撑轴旋转，支撑轴直径为 20 mm，材料为 45 号钢。封堵装置在使用时，会受到水的压力作用，水压力通过密封布将力传递给支撑体与拖链，整个装置就是依靠支撑体与拖链作为支撑框架，因此对支撑体与拖链的连接部分对受力要求较高。根据剪切强度计算轴颈剪切应力公式：

$ \tau = \frac{Q}{A} \leqslant \left[ \tau \right] \text{，}$

(9)

式中 [τ] 为材料的许用剪切应力。当材料为 45 号钢时：

$ \left[ \tau \right] = 0.8\left[ \sigma \right] = 0.8\frac{{\left[ {{\sigma _s}} \right]}}{k} = 288\,\,{\rm{MPa}}\text{，} $

(10)

[τ_s] = 360 MPa，安全系数取 1，支撑轴可提供最大剪切力：

$ F = [\tau ] \times S = 288 \times \frac{{\pi \times {{20}^2}}}{4} = 90 \,\, 432{\rm{N}} \text{。}$

(11)

对照上面章节所求得密封布边缘的拉力，支撑轴可以保证足够的安全裕量。

2.2.1 支撑架

支撑架作为支撑模块中各组成零件及封装部件的载体，是重要的承力结构且受力情况较为复杂，三维模型如图 7 所示。支撑架设计的合理可靠性决定着封堵性能，用 Ansys Workbench 对其进行有限元分析与校核验证。通过 UG 直接将模型导入 Workbench 中，选择静力学分析，材料属性定义为：硬铝合金，弹性模量 0.7 × 10⁵ MPa，泊松比为 0.3。网格划分情况如图 8 所示。

工作时，支撑架两端分别受到连接座与连接模块的压力；在内部受到磁铁螺栓向下的拉力，拉力加载在磁铁螺栓孔上；长度方向的 2 个侧面受到密封固定座的拉力。

对支撑架设置完成后加载求解，图 9 和图 10 分别为应力云图与总体变形图。

从仿真图中可知，支撑架最大应力为 127.4 MPa，支撑架所选用硬铝合金屈服强度为 276 MPa，σ_max ≤σ_s，可知支撑架结构强度满足封堵装置的要求。支撑架的变形出现在侧面的中间部分，变形量为 0.160 1 mm，相对于总长 700 mm，该变形量较小，对密封的影响有限。

2.2.2 密封固定座

密封固定座是重要的受力部件，模型图见 11。密封固定座的作用有 2 点，一连接密封布，在一个支撑体中有 11 个密封固定座，可提供 11 个连接点，每点受到密封布水平与向下的拉力；二是提高支撑架的强度，密封固定座连接支撑架的两侧，可将受力分散，避免应力集中。

密封固定座装配在支撑架上，是密封布固定的载体，固定座受到支撑架与密封布的力，从密封布章节已知，密封布固定螺栓孔受到斜向下 45° 角的拉力，拉力F_i = 1 552 N。同以上步骤，对密封固定座进行 Ansys 仿真分析。图 12 ~图 14 分别是密封固定座网格划分图，应力图及变形图。

从仿真计算结果看，密封固定座前端受力比较集中，最大应力达到 192.34 MPa，也是形变最大的部位。同理密封固定座所选用硬铝合金屈服强度为 276 MPa，σ_max ≤σ_s，可知密封固定座结构强度满足封堵装置的要求。

3 行船时封堵装置布放过程中的水阻力分析 3.1 水阻力分析基本理论

船舶应急封堵装置在解决船舶险情之后，船舶可以在原地等待救援船舶的到来以进行修复。但在条件允许的情况下，比如封堵效果良好，险情得到有效控制，船舶可以先回到船坞中进行维修，这样可大大节省成本，提高效率。上述通过对支撑结构的仿真分析验证在船舶静止时封堵装置的可靠性，但行船时还要考虑水流冲击对封堵装置的阻力，以下对行船状态下的封堵装置进行仿真分析，来验证封堵装置的可靠性^[5-8]。

计算流体动力学的理论基础是以下 3 个方程组

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!{\displaystyle\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \nabla \cdot (\rho {\rm{V) = 0}}}\text{，}\\ [8pt] \begin{array}{l} \displaystyle\frac{{\partial (\rho {\rm{V)}}}}{{\partial t}} + \nabla \cdot (\rho {\rm{VV) = }}\rho {\rm{F + }}\nabla \cdot \tau \text{，}\\ [8pt] \tau = p{\rm{I + }}{\tau ^*}\text{。} \end{array} \end{array}} \right. $

(12)

式中：ρ 为液体密度，kg/m³；V 为沿着所求方向速度分量，m/s；t 为时间量，s。质量守恒定律规定流入量与流出量的差值等于控制体中质量增加率。p 为单位流体上的静压力，Pa；F 为沿所求方向外力分量，N；τ^* 为粘性应力张量。动量守恒方程，静力等于流出动量与流入动量之差加上动量增加率。

$ \frac{{\partial E}}{{\partial t}} + \nabla \cdot (E \cdot {{\mathit{\boldsymbol{V}}}}{\rm{) = }}\rho {{\mathit{\boldsymbol{F}}}} \cdot {{\mathit{\boldsymbol{V}}}}{\rm{ - }}\nabla {{\mathit{\boldsymbol{q}}}} + \nabla \cdot (\tau \cdot {{\mathit{\boldsymbol{V}}}})\text{。} $

(13)

式中E 为液体能量，J。能量守恒定律规定流入热量与输出功的差值等于流入的焓减去流出的焓再加上能量变化率。

3.2 封堵装置模型的简化

封堵装置结构特点是外形比较“整齐”，有些“突出”的结构尺寸很小，故可简化为平面。模型简化后可降低网格划分难度，节省分析时间，复杂的结构可能对流体分析产生不确定影响，简化后反而有益结果的准确性。图 15 为封堵装置的简化模型。

根据以往分析经验，并且考虑计算机性能来对模型进行简化，例如一些细小结构的存在，会大大增加网格数量，不利于高效分析封堵装备表面流场，此时可将其忽略或合并到其他组件之中。简化后的封堵装置外形尺寸不变，长 1 700 mm，宽 1 600 mm，两边支撑体单元简化的长方体高为 86 mm，中间拖链连接模块与密封布模块简化的长方体高为 34 mm。

3.3 封堵装置的计算域

多数情况下封堵装置贴合在船体外表面进行封堵，当船舶运动时，封堵装置随之运动。为建立一个可反映实际情形的流场模型，封堵装置在水中的移动可转化为水对装置的相对运动，即装置静止，水流运动，并且封堵装置贴合在计算域的侧面上。

流场计算域一般选用长方体或圆柱体形式，本计算中选取长方体计算域，图 16 为封堵装置的计算域图示。为使计算结果合理有效，封堵装置应放置在一个比自身稍大的区域中，封堵装置在流体流动方向上的长度是L = 1 700 mm。

根据经验，封堵装置收到来流作用，装置尾部流场变化较大，需使计算域中装置后部分长度增加，最后确定从装置后侧到出口长度为 8L。为避免其他计算域壁面的影响，将入口面到装置前侧长度定为 4L。计算域的高和宽分别是 4L 和 2L^[9-12]。

3.4 封堵装置水阻力仿真

通过 UG 建立封堵装置工作模型，导入到 Ansys CFD 中，首先对模型进行网格划分，采用结构化网格划分方式，计算域网格如图 17 所示。

网格定义完成后，继续对初始条件和边界条件进行设定。速度入口边界条件可按式（14）和式（15）确定。

$ \begin{aligned} k = & \frac{3}{2}{({{\bar \mu }_{ref}} \cdot I)^2}\text{，}\\ I = & \frac{{\mu ’}}{\mu } = 0.16 \times {({{\mathop{\rm Re}\nolimits} _D})^{ - 0.125}}\text{，} \end{aligned} $

(14)

式中： ${\bar \mu _{ref}}$ 为入口平面水流平均速度；Re_D 为船舶封堵装置根据湍流直径得到的雷诺数。

$ \begin{aligned} \varepsilon =& C_\mu ^{0.75} \cdot \frac{{{k^{1.5}}}}{l}\text{，}\\ l = & 0.07L\text{。} \end{aligned} $

(15)

式中：L 为船舶封堵装置长度。

通过上式得到入口湍流参数：I = 4.8%，l = 0.07 × 1 700 mm = 119 mm。其他相关设置见表 1。

3.5 封堵装置水阻力仿真结果

封堵装置吸附在船体表面随之运动，因此封堵装置与水流的相对速度也就是船舶航速与水流的相对速度。不同用途的船舶行驶速度不同，一般行驶速度范围是 12～35 kn之间，因此在仿真中，入口面分别选取 15，20，25，30 kn 四个典型航速进行分析。

船舶应急封堵装置单体在封堵时，可以选择支撑体结构在竖直和水平 2 个方向进行布放，分别对 2 种封堵方式的水阻力进行仿真，结果见表 2 和表 3。另不同放置方式下水阻力随速度变化情况如图 18 所示。

图表显示，封堵装置随船运动时，速度增大，水阻力变大，最大可达 101.16 N。支撑体水平布放阻力值略小于竖直布放阻力值。水阻力的作用是使封堵装置发生水平方向的滑动，需要“消耗”一部分摩擦力，通过摩擦力相关公式的计算可知，封堵装置的设计满足船舶航行下的使用条件。

图 19 和图 20 是最大速度下，装置的 2 种布放方式，受力云图对比和水线图对比。

应力云图显示，来流首先冲击的面是封堵装置主要受力面。当封堵装置竖直布放时，迎流一侧支撑体是主要受力部分；当封堵装置水平布放时，迎流支撑体侧面与拖链侧面受到水流作用。应力作用在装置面上时，会产生倾覆力矩，支撑体面的高度要大于拖链高度，因此竖直布放时，支撑体受到倾覆力矩的影响较为明显。从流线图上看，水平布放时，封堵装置对流线基本不产生影响^[13-14]。

综上可得结论：从力学角度上看，水平布放方式好于竖直方向布放；封堵装置对船舶行驶的影响很小，可以忽略。

4 结 语

本文针对国内外水上运输安全的需要，提出了高效实用的船舶破损应急封堵装置结构方案，并完成封堵装置的结构设计。文中重点对封堵装置相关受力情况进行研究，为精确计算提供了理论依据。文中对装置的工况进行了分析计算，得到了装置受力计算方法，同时得到了破损船舶进水量计算方法。通过船舶破口进水量，可以求得进水平均速度，进而得到封堵过程中受到的冲击力。通过对行船时装置的仿真，得到了其受力情况^[15]。