柔性锚胫法向承力锚极限深度与承载性能分析

摘要

法向承力锚（VLAs）安装过程较为便捷，具有可以重复回收利用、造价较为低廉且承载性能较好等优点，因此广泛应用于深海系泊系统。为确定法向承力锚的极限承载力，非常有必要定量地确定其极限安装深度。基于柔性锚胫的工作机理分析，建立了一种运动过程中柔性锚胫形态的动态重新配置的确定方法。结合该方法，利用Maple编写计算程序，引入塑性方法，利用屈服面方程和锚链方程求解VLAs运动时的复合荷载，并基于相关联流动法则计算得出锚板的局部位移增量，基于增量迭代模拟VLAs拖曳嵌入土体进行安装并系泊加载到回收全过程运动轨迹，分析获得了整个过程中锚板和锚胫状态的变化规律、锚板运动轨迹及承载性能的变化规律。之后通过对比100g下的离心模型试验结果，验证了VLAs安装和加载过程的数值计算方法的有效性。在此基础之上进行参数敏感性分析，研究了VLAs的锚胫长度参数、安装和加载过程中锚链在海床表面处与水平方向的夹角、锚链承载参数、锚链与土体间摩擦系数、屈服面参数和锚重量参数等因素对VLAs安装及系泊加载过程中的极限深度和承载性能的影响。 以锚胫比为0.8为例，VLAs的运动轨迹和承载力的数值模拟结果表现为：拖曳安装开始后，锚板下潜贯入土体并到达极限深度。系泊加载后，锚板迅速顺时针旋转约14°达到近似法向受力状态，此过程中锚板埋深损失0.26m，仅为极限深度的0.19%。在锚板旋转过程中，拉拔力迅速升高，系缆点和海床表面处的锚链拉力分别增大了43.66%和35.48%。可见拉拔力不仅与锚板埋深有关，更与锚板、锚胫及锚链三者之间的状态关系高度相关。为验证数值计算结果的有效性，开展了锚胫比在0.7~0.9范围内时VLAs的安装及调节加载过程的离心模拟实验，对比分析结果表明模型试验结果与数值计算结果呈现出较好的一致性。安装过程中，随着锚胫比的增加，锚板在相同安装距离下其埋深呈现增加的趋势，在调节加载过程中其承载力系数表现出先增大后趋于平稳的趋势。 参数敏感性分析表明：不同参数工况下，VLAs的极限深度及抗拔力呈现出不同的变化趋势。结果表明，锚胫比显著地影响着锚板的极限深度和抗拔力。结合实际应用的不同需求，设计中最佳锚胫比的取值应权衡实际需求来最终确定。此外，为获得更大的极限深度和抗拔力，应采用高摩擦系数μ和低承载性参数Endbar Nc/B的锚链。另一方面，对于本文所讨论的所有参数而言，采用较小的系泊锚链角和相对较薄的锚板都能使VLAs更好地发挥其承载性能。VLAs回收过程研究表明，可通过变更加载模式实现锚板的顺利回收过程，分析表明采用较大的回收角更利于回收工作的进行。 总体而言，研究表明了改进法向承力锚的潜在方向，并有助于在研究和实践中了解柔性锚胫法向承力锚的工作机理。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 海洋平台和深水系泊系统

1.3 法向承力锚介绍

1.3.1 法向承力锚分类和应用

1.3.2 法向承力锚安装过程

1.3.3 法向承力锚的失稳破坏形式

1.4 法向承力锚的国内外研究现状

1.4.1 经验预测法

1.4.2 理论分析法

1.4.3 数值模拟法

1.4.4 试验研究法

1.5 本文研究目的及内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

2 建立分析模型及数值计算方法

2.1 分析模型

2.2 模型角度关系

2.3 模型向量关系

2.4 模型作用力关系

2.5 锚胫机构分析

2.6 数值计算方法

2.6.1 屈服面方程

2.6.2 关联流动法则

2.6.3 锚链方程

2.6.4 数值计算流程

3 运动轨迹模拟及离心模型试验

3.1 运动轨迹模拟

3.2 承载性能分析

3.3 离心模型试验

3.3.1 离心试验原理

3.3.2 离心试验设备

3.3.3 试验土样制备

3.3.5 法向承力锚安装过程

3.3.6 法向承力锚加载过程

3.4 安装试验结果与数值结果对比

3.5 加载试验结果与数值结果对比

4 极限深度及抗拔力性能参数敏感性分析

4.1 前后锚胫长度比例的影响

4.1.1 拖曳安装过程

4.1.2 系泊加载过程

4.2 锚链参数的影响

4.2.1 锚链与土体间的摩擦系数

4.2.2 锚链在海床表面处与水平面夹角

4.2.3 锚链承载力参数

4.3 屈服面参数的影响

4.4 锚重量参数的影响

5 法向承力锚回收过程研究

5.1 法向承力锚回收方式

5.2 双缆安装法回收过程模拟

5.2.1 运动轨迹及锚板锚胫状态

5.2.2 回收过程缆索荷载

5.3 回收角对回收过程的影响

5.4 加载模式回收过程模拟

5.5 回收角对加载模式回收过程的影响

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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