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基于CEL和DEM方法的拖曳锚安装轨迹数值模拟研究
| 论文题名： | 基于CEL和DEM方法的拖曳锚安装轨迹数值模拟研究 |
| 关键词： | 拖曳锚;安装轨迹;海洋岩土工程;系泊系统;有限元分析 |
| 摘要： | 海底管线是海洋油气工程的重要组成部分，承担着在海上油气田与陆地终端间输运物料的重要任务。拖曳锚作为应用最广泛的锚泊装置，在安装过程中，会在锚链牵引下，拖动一定的距离以保证达到设计的作业深度。在安装过程中，若拖曳锚与埋置于海床中的海底管线发生碰撞或钩扯，会对海底管线造成极大的损伤。若管线发生诸如断裂、泄露等损伤事故，会造成巨大的经济损失与难以修护的环境破坏。经统计，在人为因素造成的海底管线损伤案例中，锚泊活动造成的管线损伤案例占比超过三成。为预测拖曳锚在不同介质海床中安装轨迹，从而分析管线锚害风险，本文通过理论推导和数值模拟，对不同介质海床中拖曳锚的安装轨迹进行了研究。具体研究内容如下: 首先，基于极限平衡方法与反悬链方程，计算了拖曳锚安装过程中受到的土体阻力与施加于系缆点处的拖曳力。参照模型试验数据，分别建立了线性、幂次与非线性抗剪强度分布海床，并对拖曳锚安装轨迹进行计算。通过对比得到的拖曳锚安装轨迹，验证计算模型，并评估不同抗剪强度分布计算模型的准确性。 其次，基于Mohr-Columb强度准则与CEL方法，通过将海床模型分层，分别建立了抗剪强度线性分布与非线性分布的数值海床模型，对不同抗剪强度分布下数值海床的力学性能进行了分析。参照室内模型试验，建立刚性锚胫锚模型，对不同抗剪强度分布数值海床中拖曳锚安装过程进行模拟。通过与室内模型试验数据对比，评估了不同抗剪强度分布下的数值海床计算拖曳锚安装轨迹的准确性。 最后，基于DEM方法，在LIGGGHTS分析平台中建立了不同粒径块石组成的管线堆石防护层模型。参照第四章中拖曳锚运动轨迹，选取粘土海床中拖曳锚安装轨迹特征点作为堆石防护层中拖曳锚安装起始位置，对堆石层中拖曳锚安装过程进行了模拟。研究了堆石防护层粒径与安装起始位置对拖曳锚拔出轨迹的影响，进一步得出了不同堆石防护层布设方案下由粘土海床进入堆石防护层后拖曳锚的安装轨迹。 本文的理论计算与CEL分析结果表明，非线性抗剪强度模型在分析拖曳锚安装轨迹时有着更高的准确度。DEM分析结果表明，在堆石防护层中的安装过程中，拖曳锚不断抬升直至拔出，拔出轨迹与拖曳锚安装起始位置有关。不同粒径块石中拖曳锚安装轨迹的对比分析表明，拖曳锚在粗粒径块石中抬升更快，拔出距离更短，表明由粗粒径块石构成的管线防护层有着更好的锚害防护性能。 |
| 作者： | 黄铮 |
| 专业： | 水利工程 |
| 导师： | 刘延波 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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