带有助推器的多向受荷动力锚在黏土中沉贯过程的数值模拟

摘要

多向受荷动力锚是一种依靠自身重力势能以及在水中自由下落而获得动能贯入到海床中的锚泊基础，由于其具有安装成本低和安装速度快的优点，目前已在墨西哥湾和西非海域得到应用。但是相对其他类型的动力锚，多向受荷动力锚重量较轻，表面积较大，外形相对比较复杂，这些特点导致在强度梯度较大的土体中沉贯深度较浅，而较浅的沉贯深度则会导致较低的承载力，而且锚有被拔出的风险。为了解决沉贯深度较浅的问题，课题组提出了在动力锚的尾部增加一个助推器装置的概念，期望通过增加动力锚的重力势能和动能，提高动力锚的沉贯深度。课题组对助推器以及助推器和动力锚组成的组合锚的水动力学特性以及黏土中的沉贯过程进行了模型试验研究，验证了助推器的有效性。但海床土的率效应和软化效应对组合锚沉贯深度的影响规律还不清楚，本文的第一部分采用大型商业有限元软件ABAQUS6.14，通过大变形有限元(Large deformation finite element-LDFE)方法中的耦合欧拉-拉格朗日法(Coupled Eulerian-Lagrangian-CEL)模拟了带有助推器的多向受荷动力锚在正常固结土中的贯入过程，研究了贯入速度、助推器重量、土体率效应、软化效应和土体抗剪强度对组合锚沉贯深度的影响。研究结果表明，土体强度对沉贯深度的影响最大，贯入速度和助推器重量对沉贯深度也有较大的影响，而土体率效应和软化效应对沉贯深度的影响相对较小。 本文的第二部分提出了基于锚的总能量和基于运动微分方程的沉贯深度预测模型。能量预测模型通过建立沉贯深度与动力锚总能量之间的关系，可以快速预测沉贯深度；而基于运动微分方程的预测模型，可以确定作用在锚上的主要分力的变化过程，还可以得到动力锚贯入过程的速度(v)-贯入深度(z)关系曲线，从而更为精确地预测沉贯深度，为实际工程中动力锚的安装和设计提供理论支持。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 动力锚土中贯入过程的研究现状

1.3 论文的研究目的和主要工作

2 数值模拟方法的介绍

2.1 耦合欧拉-拉格朗日法

2.2 CEL中正常固结土的设置方法

2.3 用户子程序VUSDFLD的验证

3 组合锚动力贯入过程的数值模拟

3.1 引言

3.2 有限元模型设置

3.3 结果与讨论

3.3.1 CEL模型验证

3.3.2 土体流动机制

3.3.3 贯入速度和助推器重量的影响

3.3.4 土体率效应参数和参考剪切应变率的影响

3.3.5 土体软化效应参数的影响

3.3.6 土体不排水抗剪强度的影响

3.3.7 结果对比分析

3.4 本章小结

4 最终沉贯深度的预测方法

4.1 基于锚的总能量的预测模型

4.2 基于运动微分方程的预测模型

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录A 论文使用的主要符号的意义与单位

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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