深水锚在海洋黏土中复杂运动行为的数值模拟与理论研究

摘要

深水锚是深水系泊系统的核心组成，是制约海洋空间利用和海洋资源开发迈向深海的一大瓶颈。随着新概念和新技术在深水系泊领域的不断涌现和发展，深水锚在海床中的运动行为变得更为复杂，这给既有的分析方法带来了极大的挑战。对深水锚在海床中的嵌入机理和运动行为开展研究，是深海锚固技术的科学基础，也是深海工程尤其是海洋岩土工程科学的重要内容。本文以大变形有限元分析技术耦合的欧拉-拉格朗日法和承载力分析理论为基础，采用数值模拟和理论分析两种研究方法探究深水锚在海洋黏土中的复杂运动行为。
　　在数值模拟方面，采用了大变形有限元分析技术耦合的欧拉-拉格朗日法。首先，通过连接单元构造了系泊（安装）缆绳，分析了缆绳在海床中的输力和变形规律；其次，基于已构造的缆绳，模拟了拖曳锚的拖曳安装过程、吸力嵌入式板锚的旋转调节过程和重力贯入锚的旋转、嵌入行为；最后，基于嵌入缆的反悬链方程，提出了考虑缆绳影响的深水锚运动行为的高效数值分析模型。通过与已有的理论、实验和数值分析结果对比，上述三项工作的有效性均得到了验证。
　　依托所提出的数值模型，开展了如下科学研究：
　　（1）摩擦系数、初始下嵌深度和土体重度对嵌入缆反悬链特性的影响；
　　（2）锚板截面形状对拖曳锚嵌入机理和运动特性的影响；
　　（3）拖曳效应对拖曳锚嵌入机理和运动特性的影响；
　　（4）重力贯入锚在海床中的运动特性研究。
　　研究表明，系缆点处系缆力随着摩擦系数和土体重度的增大而增大；当系缆点处拖曳角较小时，摩擦系数和土体重度对嵌入缆反悬链形态的影响可以被忽略；初始下嵌深度对嵌入缆的反悬链特性影响较大，在分析软黏土中深水锚的运动行为时该影响应被予以重视。拖曳安装过程中，拖曳锚的运动方向和拖曳角主要由锚板的截面形状和锚胫与锚板的连接方式决定，几乎不受拖船和安装缆绳的影响；拖曳锚的运动轨迹直接决定了拖曳力的大小，两者均受到锚板截面形状、安装缆绳的安装角和直径的影响；在本文考察的拖曳速度范围内，拖曳锚的运动轨迹不受拖曳速度的影响，拖曳力随着拖曳速度的增大而增大；当安装缆绳的长度小于理论缆长或临界缆长时，拖曳锚的拖曳效率和承载性能将会受到限制，当安装缆绳的长度大于理论缆长时，锚的运动特性不再受缆绳长度的影响。OMNI-Max锚的最大埋深损失不受其初始埋深的影响，但随着土体强度梯度、嵌入点处拖曳角和缆绳直径的增大而增大；随着锚初始埋深的减小，或者土体强度梯度、嵌入点处拖曳角和缆绳直径的增大，OMNI-Max锚的运动行为可能由嵌入转变为拔出，这在工程中是极其避讳的；当嵌入点处拖曳角增大到某一极限值时，OMNI-Max锚将会发生类似于吸力锚的失稳破坏。基于上述研究，本文提出了拖曳力与拖曳速度的关系式、极限嵌入深度的经验表达式以及理论缆长、临界缆长和理论极限嵌入深度等概念，为深水锚的工程应用提供了必要的技术支撑。
　　在理论研究方面，采用了承载力分析理论并用“最小力准则”揭示锚的运动和破坏模式。根据物理实际，将深水锚的运动行为描述为拔出、旋转和嵌入行为的组合，并明确定义了三种行为；基于承载力分析理论，分别针对锚的拔出、旋转和嵌入行为建立起合理的力学模型；通过“最小力准则”确定了锚的拔出和嵌入方向、旋转中心，并给出运动行为的判定准则；基于所建立的力学模型及判定准则，提出了深水锚运动轨迹的计算流程。将建立的理论模型用于分析拖曳锚和OMNI-Max锚的运动轨迹，验证了模型的有效性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 系泊（安装）缆绳在海床中的输力及变形规律的研究现状

1.3 拖曳锚运动行为的研究现状

1.4 重力贯入锚运动行为的研究现状

1.5 大变形有限元分析技术

1.6 论文主要工作

第二章 系泊（安装）缆绳在海床中输力和变形规律的数值研究

2.1 引言

2.2 缆绳模拟技术及模型考察

2.3 嵌入缆反悬链特性的验证和研究

2.4 参数考察与分析

2.5 嵌入缆的三维构形模拟

2.6 小结

第三章 拖曳锚在海床中运动特性和嵌入机理的数值研究

3.1 引言

3.2 数值建模及考察

3.3 锚板截面形状对锚的运动特性和嵌入机理的影响

3.4 拖曳锚安装过程中土体的流动机制

3.5 极限嵌入深度的经验表达式

3.6 小结

第四章 拖曳效应对拖曳锚运动特性和嵌入机理影响的数值研究

4.1 引言

4.2 数值建模及工况设计

4.3 拖曳速度的影响

4.4 安装缆绳直径的影响

4.5 安装角的影响

4.6 安装缆绳长度的影响

4.7 土体强度的影响

4.8 小结

第五章 重力贯入锚在海床中复杂运动行为的数值模拟

5.1 引言

5.2 关键技术的验证

5.3 算例和分析

5.4 小结

第六章 考虑缆绳影响的深水锚运动行为的高效数值分析模型

6.1 引言

6.2 将缆绳的影响嵌入CEL法

6.3 标准算例（拖曳锚安装）

6.4 吸力嵌入式板锚（SEPLA）旋转调节过程的模拟

6.5 OMNI-Max锚运动行为的研究

6.6 小结

第七章 深水锚在海床中复杂运动行为的理论分析模型

7.1 引言

7.2 深水锚运动行为的定义

7.3 力学分析模型

7.4 深水锚运动轨迹的计算流程

7.5 理论分析模型的应用

7.6 小结

第八章 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

发表论文

参加科研情况

附录A 主要符号说明

附录B 嵌入缆反悬链形态的数值积分解

致谢