（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）深水绷紧索系泊系统设计研究.pdf

大连理工大学硕十学位论文 摘要 随着人类资源开发逐渐向深海发展，适用于深海的新型系泊技术的研究成为热点。 本文对在深海中应用越来越广泛的绷紧索系泊系统设计和分析中的几个关键技术 法向承力锚的极限承载力计算、系泊缆索动力分析以及系泊浮体的耦合计算进行了研 究，为绷紧索系泊系统在实际工程中的应用提供了一定的理论依据。 绷紧索系泊系统多采用负压桶形基础或法向承力锚。本文介绍了一种新型的法向 承力锚i d e n n l a 式的构造、工作机理、安装回收方法和优点。法向承力锚的承 载力特性尤其是极限承载力是检验锚能否失效的一个关键指标。极限承载力的计算多 采用基于实地试验的经验公式法进行。这种方法并不能准确地反应法向承力锚的受力 特性。本文提出了一种法向承力锚极限承载力计算的数值方法。基于土的弹塑性理论， 以法向承力锚及其周围土体为研究对象，建立三维数值模型，计算法向承力锚的极限 承载力，并通过改变数值模型考察锚的埋深、埋置角度、系泊力角度等重要参数对法 向承力锚极限承载力的影响。 深海绷紧索系泊系统的缆索动力分析过程中，缆索变形的非线性效应在缆索大变 形、大预张力的条件下不可忽略。本章基于g a r r e t 的弹性杆理论，对系泊缆索进行分 析得到动静力方程，并采用非线性有限元法进行数值求解。缆索静态计算时，通过 n e w t o n r a p h s o n 迭代法得到缆索的张力一位移关系；缆索动态计算时，考虑了缆索运 动产生的惯性力和附加质量，在每个时间点上假定缆索单元瞬时动力平衡，通过 a d a m b a s h f o r t h 法化简缆索运动动力方程，并迭代求解得到其动张力。最后，通过计 算不同模型，研究了绷紧索系泊系统单根缆索的动张力分布情况以及缆索成分对动张 力的影响。 本文最后提出了深水绷紧索系泊系统的设计方法。在系泊浮体的耦合计算中，首 先采用时域g r e e n 函数法计算得到浮体的运动响应，通过与计算三维缆索动力响应 的非线性有限元法耦合得到系泊浮体的运动响应。结合数值算例，验证了绷紧索系泊 系统在深海半潜平台定位中的可行性和有效性。 关键词：绷紧索系泊系统；法向承力锚；系泊缆索动力分析；系泊浮体耦合计算 深水绷紧索系泊系统设计研究 i n v e s t i g a t i o no nd e e p w a t e rt a u t w i r em o o r i n gs y s t e md e s i g n a b s t r a o t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e s o u r c ee x p l o i t a t i o ni nd e e ps e a , t h er e s e a r c ho fn e w d e e p w a t e rm o o r i n gs y s t e m sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td o m a i n i nt h i ss t u d y , k e ys t e p so f t a u t w i r em o o r i n gs y s t e m sd e s i g ns u c ha sc a l c u l a t i o no ft h eu l t i m a t ep u l l - o u tc a p a c i t y ( u p c ) o fv e r t i c a ll o a d e da n c h o r ( v l a ) ，d y n a m i ca n a l y s i so fm o o r i n gl i n e sa n dc o u p l e d c a l c u l a t i o no fm o o r e df l o a t i n gb o d ya r ei n v e s t i g a t e db yc o m p u t a t i o n s ，n l i sp r o v i d e su s e f u l t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ea p p l i c a t i o no ft a u t - w i r em o o r i n gs y s t e mi nd e e p w a t e rs t r u c t u r e s t a u t w i r em o o r i n gs y s t e mu s u a l l ya d o p t ss u c t i o nc a i s s o n so rv l aa si t sb a s i s t m s s t u d yp r o v i d e st h ec o n s t r u c t i o n ，m e c h a n i s m ，i n s t a l l a t i o n ，r e c o v e r ya n da d v a n t a g e so fa n e w t y p eo fv l a m e n n l a m o r ei m p o r t a n t u p ci sak e yf a c t o rt ov e r i f yw h e t h e rv l a i s o u to fo p e r a t i o n h o w e v e r , t h ec u r r e n tc a l c u l a t i o no fu p ci sb a s e do nt h ee m p i r i c a lf o r m u l a w h i c hc a nh a r d l yp r o v i d e sa c c u r a t er e s u l t s i nt h i ss t u d y t h eu p co fv l ai sc a l c u l a t e db ya t h r e ed i m e n s i o nn o n 1 i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o db a s e do ne l a s t i c p l a s t i ct h e o r yo fm u d i n a d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fe m b e d m e n td e p t h ，f l u k ea n g l ea n da c t i o na n g l eo fm o o r i n gf o r c e o nu p ci sa n a l y z e db yc a l c u l a t i n gd i f f e r e n tn u m e r i c a lm o d e l s i nt h ed y n a m i ca n a l y s i so ft a u t w i r em o o t i n gl i n e s t h en o n l i n e a rd e f o r m a t i o ne f f e c t o fam o o t i n gl i n ec a n n o tb en e g l e c t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fl a r g ed e f o r m a t i o na n dl a r g e p r e t e n s i o n b a s e do nt h et h e o r yo ft h ee l a s t i cr o d ，t h i ss t u d yo b t a i n ss t a t i ca n dd y n a m i c e q u a t i o n so fm o o r i n gl i n e sb ya n a l y z i n gt h ef o r c ec o n d i t i o n so nt h e m t h e n ，n o n - l i n e a r f i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa d o p t e dt os o l v et h ee q u a t i o n s i nt h es t a t i ca n a l y s i so fm o o r i n g l i n e s n e w t o n r a p h s o ni t e r a t i v em e t h o di sa d o p t e dt oo b t a i nt h er e l a t i o nb e t w e e nt e n s i o n a n do 行s e to fm o o r i n gl i n e s i nt h ed y n a m i ca n a l y s i s t h ei n e r t i af o r c e sa n dt h ea d d e dw a t e r m a s sa r ec o n s i d e r e di nc a l c u l a t i n gt h ef o r c e so nt h em o o r i n gl i n ee l e m e n t s c o n s i d e r i n gt h a t o ne v e r yt i m ep o i n tt h ee l e m e n t sa r eo nb a l a n c e ，a d a m b a s h f o r t hm e t h o di sa d o p t e dt o s o l v et h ed y n a m i ce q u a t i o no fm o o r i n gl i n e s m o t i o na n do b t a i nt h el i n et e n s i o n f u r t h e r m o r e ，b a s e do nd i f f e r e n tn u m e r i c a lm o d e l s ，t h et e n s i o no nd i f f e r e n tp a r to fm o o r i n g l i n e sa n dt h ei n f l u e n c eo fl i n e s s e g m e n t so nt e n s i o nf o r c ea r ei n v e s t i g a t e di nt h i ss t u d y f i n a l l y ，t h i ss t u d yp r o v i d e sab a s i cd e s i g nm e t h o do ft a u t - w i r em o o r i n gs y s t e m s i n t h ec o u p l e dc a l c u l a t i o no fm o o r e db o d y ，t h em o t i o no f f l o a t i n gb o d yi so b t a i n e db yg r e e n f u n c t i o nm e t h o di nt i m e d o m a i n , a n dt h e nc o u p l e dw i t hn o n 1 i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d w h i c hi su s e dt oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r so fm o o r i n gl i n e st oo b t a i nt h em o t i o no f m o o r e db o d y b a s e do n an u m e r i c a le x a m p l e ，t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so fa d o p t i n g t a u t w i r em o o r i n gs y s t e m sf o rd e e p w a t e rs e m i - - s u b m e r s i b l e p l a t f o r mp o s i t i o n i n ga r e v e r i f i e db yt h er e s u l t s 1 1 大连理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：t a u t w i r em o o r i n gs y s t e m ；v e r t i c a ll o a d e da n c h o r ；d y n a m i ca n a l y s i s o fm o o r i n gl i n e s ；c o u p l e dc a l c u l a t i o no fm o o r e db o d y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢 的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不 包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：逐盘! 宣璺坌! 丕坌：! 里墨：型垦丑堕 作者鲐上盟 魄珥年上月上日 深水绷紧索系泊系统设计研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文 作者签名 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1研究的背景和意义 众所周知，海洋占了地球表面积的三分之二以上。其中，海深3 0 0 0 , - - 6 0 0 0 米占海 洋总面积的7 3 8 3 ，而大陆架水深为0 , - - 2 0 0 m ，仅占海洋总面积的7 4 9 目前，世界上 除了少数海域以外，大部分地区的近海油气资源已日趋减少，向深海要资源己成必然 趋势。随着深海石油，天然气等资源的开发，大型深水钻井平台的作用日益凸显。 大型深水钻井平台主要采用两种定位系统：锚泊( 定位) 系统和动力定位系统。 由于锚泊系统具有投资少、使用、维修方便等特点，因而锚泊系统是目前主要采用的 定位系统，其广泛应用于各种深水钻井平台。 传统的由钢链或钢缆组成的悬链式系泊系统( c a t e n a r ys y s t e m s ) 通常只适用于1 0 0 0 m 内的水深，当水深超过1 0 0 0 m 后，不仅经济性差，而且带给结构物巨大的重量， 由于系统提供的回复刚度随水深的增大而降低，致使平台在极端气象条件下产生较大 水平偏离，这使在设计和施工方面都面临许多新的问题。因此，深海高承载力锚式系 泊系统的研究和开发成为需要。近十年来，绷紧索系泊系统在深海中的应用越来越广 泛。对于这种新型的系泊系统，很多传统的设计和分析方法不再适用。因此新的数值 和物理模型的研究成为的必要。本文旨在通过建立数值模型，研究绷紧索系泊系统设 计分析过程中的几个关键技术：法向承力锚的极限承载力计算、系泊缆索动力分析和 系泊浮体耦合计算，从而为绷紧索系泊系统在工程中的实际应用提供参考。 1 2 深海系泊形式简介 对于建造在水深1 0 0 0 3 0 0 0 m 的深海上的大型结构物而言，传统悬链式系泊系统 已经不能满足要求，近几年发展起来的轻质悬链线系泊系统( l i g h t w i r ec m e n a r y ) ，浮 筒与传统悬链线系泊系统结合的混合系泊系统和绷紧索系泊系统( t a u t w i r em o o t i n g s y s t e m s ) ，克服了传统悬链式系泊系统在深海中的许多缺点，成为目前深海系泊的主 要方式。 1 2 1 轻质悬链线系泊系统 轻质悬链线系泊系统采用合成纤维代替传统的钢质锚链，使系泊系统的总重量大 大减轻，克服了传统悬链线装置在深海中使用时由于锚链过长、自重过大的带来的一 系列问题。但是，如同传统悬链线装置一样，这种系泊系统也不能克服浮体在恶劣海 况下水平偏离过大的问题，尤其是水深很大时，这个缺点尤为明显。此外，在深水中 深水绷紧索系泊系统设计研究 使用这种系泊系统需要大量直径较大的系泊缆索，因此会占用安装船大量的空间，给 系泊系统的安装和回收带来很多不便。 1 2 2 混合系泊系统 浮筒与传统悬链线系泊系统相结合的混合系泊系统是美国自2 0 0 2 年才提出的一 项新技术，目前国内尚没有相关研究。这种系泊系统有一组( 三个或以上) 大型浮简 装置( 一般为直径大于两米高度大于5 米的圆筒) 配合浮体现有的锚泊系统( 一般为 传统的悬链线系泊系统) 使用。浮筒用锚链固定在深海海底，一般每个浮筒采用三条 或以上的锚链固定，并且保证所有浮筒在同一水平高度上，浮筒上有相应的固定锚链 的装置。然后将浮体的锚泊系统固定到浮筒上，浮筒距海面的距离应小于浮体自身锚 泊装置的最大应用水深。这种系泊系统就相当于将海底人为的升高了。所以，浅水中 的浮体自身以及其原有的系泊装置不需要做任何改动就可以应用到深海中，并且能保 证浮体的水平偏离不至于过大。但是这种系泊系统中浮筒的安装和回收需要很大的经 济投入，这也是限制其应用的关键点。 1 2 3 绷紧索系泊系统 绷紧索系泊系统的缆索材料、布置形式、受力特性以及锚基础的选择都与悬链线 系泊系统有较大不同。系泊缆索中间部分多采用质量较轻的高强度尼龙绳、聚酯绳或 其他合成材料，缆索两端采用耐磨的钢质锚链或钢丝绳。此外，传统的悬链线系泊系 统的系泊缆索在海底有一段水平部分，锚基础只承受水平拉力，并且系泊系统回复力 主要靠锚链的重力产生。而绷紧索系泊系统【l 】的系泊缆索以一定的角度( 一般为3 0 4 5 。) 到达海底，在抛锚点处既要受到水平力，又要承受竖直向上的力，其回复力由缆 索的轴向刚度提供。由于绷紧索系统具有较大的承载力及系缆角度的特征，因此普通 的锚基础不能满足其要求。目前绷紧索系泊系统多配备负压桶形基础( s u c t i o n c a i s s o n s ) 1 】或法向承力锚( v e r t i c a l l yl o a d e da n c h o r ) 等特殊锚基础。图1 1 为悬链线系 泊系统和绷紧索系泊系统的示意图。 在深海工程应用中，绷紧索系泊系统有以下优势【2 ，3 】由于纤维系缆回复刚度大， 平台水平偏离量大大减小；同等水深下使用绷紧索系泊系统，需要较短的纤维材料系 缆，能节约成本，尤其在深水和超深水条件下的经济性非常明显；具有更小的系泊半径， 系泊基础占用的海床面积小，减小了和附近其它水下设施相碰撞的危险。但是由于工 作状态下系缆需承受巨大的张力，因此要求采用这种系泊系统的浮体能提供较大的储 备浮力，故采用这种系泊系统的浮体多为较大型的平台。 大连理工大学硕士学位论文 ( 鱼睦二：= 图1 1 悬链线系泊系统( 左) 和绷紧索系泊系统( 右) f i g 1 1 c a t e n a r ys y s t e m ( 1 e f t ) a n dt a u t - w i r em o o r i n gs y s t e m ( r i g h t ) 绷紧索系泊系统的以上几个优势使其迅速成为深海系泊中应用最为广泛的一种系 泊系统。巴西石油公( p e t r o b r a s ) 早在1 9 8 3 年就开始研究人工合成纤维在深水系泊中 的应用，并于2 0 世纪9 0 年代前期进行了一系列测试，研究聚焦于三种料，即芳香 族尼龙( a r a m i d ) 、高强聚乙烯( h i g hm o d u l u sp o l y e t h y l e n e ) 以及聚酯纤维 ( p o l y e s t e r ) ，其中以聚酯纤维应用最广。从1 9 9 7 年以来，巴西石油公司开始安装包括 聚酯纤维系缆在内的系泊系统，并首先在m 砌i ns o u t hf i e l dp 2 1 9 ，p 2 2 6 ，p 2 2 7 ，p 2 3 6 ， p 2 4 0 ，f p s o2 2 等工程中取得了成功，其中f p s o2 2 工程水深1 4 2 0m ，是世界上第 一次将合成纤维系缆用于f p s o 的系泊系统。1 9 9 9 年，美国u n o c a l 石油公司将高强 聚乙烯d y n e e m a 用于水深达2 0 4 0 m 的系泊系统中，这是世界上首次在移动钻井中应 用d y n e e m a 纤维。 1 3 适用于绷紧索系泊系统的锚基础 随着绷紧索系泊系统的广泛应用，适用于绷紧索系泊系统的锚基础的研究和开发 成为一个国内外研究的热点问题。在绷紧索系泊系统中的锚基础主要承受向上的抗拔 力。尽管广泛的应用于悬链式系泊系统中的大型拖曳嵌埋式锚基础( d r a ge m b e d m e n t a n c h o r ) 具有大承载力，经济适用等优点，然而考虑到水深的影响和绷紧索系泊系统对 基础的高承载力和系缆角度变化范围的要求，这种基础形式并不适用。绷紧索系泊系 统多采用负压桶形基础或法向承力锚等作为系泊基础。 1 3 1 负压筒形基础 负压筒形基础也叫吸力锚，是5 0 年代作为一门技术开始被研究的，在9 0 年代被 挪威应用于北海海洋平台锚固系统。它自身有很多优点：造价低，投资少；建造和施 工作业比传统锚泊系统方便；由于垂直系泊于海洋平台，大大减少了锚链的长度和作业 海区，带来了大的经济效益。虽然负压桶形基础可以提供较大的抗拔力，并且可以在 极端海深中应用，但是其安装和回收时费力，因此，从施工方面考虑，负压桶形基础 有一定缺点。 深水绷紧誊系泊系统设计研究 132 法向承力锚 法向承力锚是适用于深海工程的一种新型的系泊基础，它具有很高的抗拔承载力， 而且对系缆角度变化的要求不十分严格，相对另一种深水系泊基础负压桶彤基础口言， 又具有经济实用、施工简单等优点，因此非常适合深水绷紧索系泊系统。与传统锚相 比较，法向承力锚具有以f 受力特点 ( 1 ) 法向受力：在_ f 常工作状态下，法向承力锚所受到的荷载( 上拔力) 方向与锚 板平面的外法线方向平行。这种锚在土中的工作性能和一块嵌埋在土中的浊向受力的 板非常相似。 ( 2 ) 法向承力锚对系缆角度f 荷载方向1 变化范田的要求不十分严格，既可以承受 水平山向的荷载又可以承受竖直方向的荷载。 i i 阿法向承力锚有两种具体款式，如下图所示，图i2 ( 左) 是荷兰v r y h o f 公司 的s t e v m a m a 式，图12 ( 右) 是英国b r a c e 公司的d e n n l a 式( d r a ge m b e d m e n t n e a r n o r m a ll o a da n c h o r ) s t e v m m a t a 式较为常见，应用也比较广泛，相关的介鲥较多。 本文重点介绍的是d e n n l a 式口j ，它是一种新型的法向承力锚。这种锚是适片j 于深海 l 程的一种新型的系泊基础，它具有很高的抗拔承载山，法向承力锚基础的承载力1 6 可以达到锚自身重力的1 0 0 倍以上，而日由于其结构的特殊设计，它在过载状态下不 会像同普通的法向承力锚( s t e v m a n t a 式) 那样被从海底拉出，因此d e n n l a 非常 适合深水绷紧索系泊系统。 圈互 图1 2 d e n n l a ( 左) 式平s t e v m a m a 式( 右) 法_ l | l 承力锚 7 1 f i g l2 d e 皿l a ( 1 e f t ) a n ds t e 、y n a r l a ( n g h 0v l a 1 4 绷紧索系泊系统的研究概况及发展趋势 141 研究概况 由于在深水和超深水应用中其自巨大优势，绷紧索系泊系统迅速成为深海平台一 种土要的系泊方式这种系泊系统使用新型的合成纤维材车1 作为系缆，采用负爪桶形 大连理工大学硕士学位论文 基础或法向承力锚等作为系泊基础。国外对于这种新型系泊系统的研究起步较早，取 得了一些成果。 绷紧索系泊系统的缆索多采用新型复合材料，对于这种缆索的抗损伤性、使用寿 命以及非线性的研究等非常关键。 j u a nf e l i p eb e l t r a n 和蹦c b w i l l i a m s o n 给出具体的累积损伤公式 8 】来计算合成缆 索的使用过程中累积损伤指数，以此来判断破坏程度。并用模拟实验进行验证，公式 的计算结果同实验基本吻合。 合成缆索的大延展特性使其非线性明显。并且合成缆索的变形和作用在它上的张 力已经不成线性关系，故其杨氏模量公式同钢制锚链有很大不同。 m i n s u kk i m ，y ud i n g 和j u nz h a n g 引入了一经验公式【9 】根据动力载荷来模拟缆索的 模态。因合成缆索的变形和作用在它上的张力已经不成线性关系，而是显著的时间特 性。所以，直接模拟缆索的瞬时模态比较困难。他们应用经验公式在时域内模拟一个 经典的s p a r 平台和合成缆索的动力响应，数值模拟的结果发现使用合成缆索的s p a r 平台的运动和原来使用常规锚链相似。只是运动的幅值稍有不同。这和缆索的重量有 关系。 d a v i dp e t r u s k a 介绍了墨西哥湾一工作水深为1 3 4 8 米的s p a r 采用的系泊合成缆 索的情况。包括合成缆索的设计，生产，质量检测以及维护等方面。得出了很多重要 结论【1 们 a c f e m a n d e s 和r r r o s s i 发现模拟实验可用非常细的扭曲的尼龙绳来代替原来 使用的弹簧来进行。从而能反应出合成缆索的非线性效果。并且，实验证明尼龙绳产 生的动力张力较小【1 这对于合成缆索的疲劳研究有重要意义。 目前，无论在理论、实验和数值分析方面，国内针对这种新型深海系泊系统的研 究均处于起步阶段。刘海笑和黄泽伟对这种新型的系泊系统的发展情况做了介绍，基 于有限元数值分析技术，对系泊系统的两个关键特性，即系缆的绷紧松弛特性以及纤 维系缆的动刚性进行了分析和处理，并通过算例考察了深海平台运动引起的系缆力响 应【l 】 作为绷紧索系泊系统锚泊基础的d e n n l a 锚是一种新型的拖曳板式锚，它的出 现还没有很长的时间，国内外对它的研究还处于刚刚起步阶段。d e n n l a 锚是v l a 的一种，其极限承载力的计算多采用普通板式锚承载力计算的经验公式法进行。 1 4 2 发展趋势 绷紧索系泊系统各个方面的研究方法和设计方法同悬链线系泊系统都有所不同， 传统的设计和分析方法不再适用。因此新的数值和物理模型的研究成为的必要。由于 深水平台的系泊系统中，系泊缆索的布置方式发生了改变，合成纤维绳取代钢质锚链 作为锚泊线材料，负压桶形基础或法向承力锚等不同的锚基础也代替了传统的拖曳锚。 深水绷紧索系泊系统设计研究 这些改变也促使新材料的机理，各种恶劣的环境条件下系统的动力行为，浮体系泊系 统的耦合计算研究，以及各种物理模型和实验技术的进一步发展。 1 5 本文的主要工作 绪论首先介绍了绷紧索系泊系统的特性、优点以及在实际工程中的应用，然后介 绍了近年来国内外对绷紧索系泊系统的研究概况和本文的主要工作。 第二章首先介绍了d e n n l a 的工作机理、安装回收方法及其较之普通v l a 和负 压锚的优点。然后通过建立v l a 及其周围土体的三维非线性有限元模型，计算v l a 的极限承载力，并分析了锚板埋深、锚板角度以及系泊力角度对极限承载力大小的影 响，得出了此数值分析方法较之试验基础上的经验公式法的优点。 第三章首先介绍了系泊系统缆索的动力计算方法，然后基于g a r r e t 的弹性杆理 论，推导出系泊缆索动力分析的非线性有限元数值模型，并编制了相应的计算程序。 通过一算例对此数值模型进行检验，并研究了绷紧索系泊系统单根缆索的动张力分布 情况以及缆索成分对动张力的影响。 第四章通过为一深水半潜平台配备绷紧索系泊系统给出了一种绷紧索系泊系统设 计方法，并结合数值算例对绷紧索系泊系统设计中的关键技术系泊缆索动力分析、系 泊浮体耦合计算以及法向锚基础校核进行了计算研究，结果表明绷紧索系泊系统用于 深水半潜平台定位是可行和有效的。 大连理工大学硕士学位论文 2 d e n n l a 介绍及v l a 极限承载力计算 2 1概述 d e n n l a 是一种新型的法向承力锚( v l a ) 这种锚是适用于深海工程的一种新型 的系泊基础，它具有很高的抗拔力，其极限承载力可以达到锚自身重力的1 0 0 倍以上， 而且由于其结构的特殊设计，它在过载状态下不会像同普通的v l a ( s t e v m a n t a 式) 那 样被从海底拉出，因此d e n n l a 非常适合深水绷紧索系泊系统。本章首先介绍了 d e n n l a 的工作机理、安装回收步骤及其较之普通v l a 和负压锚的优点。 锚的失效是锚泊系统设计和计算分析时考虑的重要问题。不同于传统锚单一的失 效形式，r o d e r i c kr u i n e n 和o i j sd e g e n k a m p 在试验的基础上，根据法向承力锚锚板埋 深的差别提出了两种不同的失效形式1 1 2 , 1 3 】 ( 1 ) 浅埋失效 定义d 为v l a 的锚板埋置深度，b 为v l a 的锚板长度，计算中一般规定当 d b 3 时，即当锚板埋置深度小于等于三倍的锚板长度时为浅埋情况；浅埋情况下 v l a 的失效过程表现为当锚被拉出土层时，锚板表面上一定范围的土被一同带出。 ( 2 ) 深埋失效 计算中一般规定当d b 3 时，即当锚板埋置深度大于三倍的锚板长度时为深埋 情况；深埋情况下v l a 的失效过程表现为土是沿着锚板上表面往下流动，这就是所 谓的土的塑性失效。 锚的承载力特性尤其是极限承载力是检验锚能否失效的一个关键指标。d e n n l a 是v l a 的一种，v l a 极限承载力的计算多采用普通板式锚承载力计算的经验公式法 进行。当v l a 处于工作状态，即法向受力时，v l 气就相当于一块埋在土中板式结构， 故大部分的研究者都采用传统的板式锚极限承载力理论来解决v l a 的极限承载力计 算问题。即基于传统板式锚的承载力计算方法，结合原型试验发现一些适合v l a 的 经验系数，从而用传统板式锚的方法计算v l a 的极限抗拔力。这种方法形式比较简 单，v l a 的许多参数的影响如锚板埋置角度、系泊力角度等都没有反应在计算公式中， 从某种程度上来讲，这种工程经验方法并不能真正全面的反映v l a 的受力特性。并 且，由于v l a 大都需要工作在深海海床土中，故很难进行现场试验，同时模型试验 又很难全面地反映深海中的各种复杂情况，因此不易获得适合不同海况的极限承载力 计算经验参数。为了更全面的理解v l a 的抗拔特性，建立数值计算模型成为进一步 研究法向承力锚的受力特性的需要。 深水绷紧索系泊系统设计研究 本章以v l a 及其周围土体为研究对象，运用大型非线性有限元软件a b a q u s 建 立v l a 的极限承载力数值计算模型，计算v l a 的极限承载力。并通过改变数值模型 考察埋深、埋置角度、系泊力角度等参数对v l a 的极限承载力的影响。 2 。2d e n n l a 简介 2 2 1 d e n n l a 工作机理 如图2 1 所示，d e n n l a 主要由锚杆和锚板组成。锚板上有一个滑槽，锚杆可以 沿滑槽移动。在工作状态下锚杆与锚板的夹角可以由普通锚泊所能达到的大约1 5 。一 4 5 。增大到8 0 。左右，即接近于法向，系泊缆索与海底平面的最大夹角一般不超过4 5 。锚杆可以在一定范围内( 0 。1 3 5 。) 转动，a 、b 、c 、d 分别表示锚在放置、安 装、工作和回收时锚杆的位置。锚杆连接系泊缆索，通过调节系泊缆索的长度和锚装 卸船的位置，可以使锚杆和锚板保持不同的角度，从而使锚维持在不同的状态。 2 2 2d e n n l a 的安装回收步骤 在埋置和承受极限载荷的所有阶段，d e n n l a 都是作为拖曳式锚来工作的。首 先，当锚装卸船安装d e n n l a 时，在距离锚安装地点2 0 0 米以外的地方，定位尾缆 先行下沉( 如图2 2 示) 然后，锚装卸船朝锚安装地点行驶，定位尾缆调整d e n n l a 的方位，距离锚安装地点5 0 米左右时，逐渐释放缆索，使d e n n l a 嵌入海底( 如图 2 3 示) 拖曳的深度超过3 x 锚板面积时，增加拉力，直到在系泊缆索装置中产生的 拉力达到即定的拉力，随之使锚杆与锚板的夹角达到1 5 。 2 5 。然后，减小拉力，将 缆索长度缩短，直到夹角达到4 5 。左右，此时系泊缆索与海底平面的夹角约为2 5 。( 如 图2 4 示) 由于该夹角的变化，锚上的剪力销脱离锚身，使锚杆与锚板夹角增大到大 约8 0 。，这时系泊缆索与海底平面的夹角约为4 0 。( 如图2 5 示) ，d e n n l a 达到 正常工作状态。在这时继续加载，不仅可以使d e n n l a 继续埋置更深，而且抓力也随 增大。如果在d e n n l a 达到新的极限拖曳深度时超载，它将以定常载荷在海床里水平 移动而不会失效。回收时，锚装卸船逆向行驶，锚杆移动到锚后方( 如图2 6 示) ， 并且转动同锚板保持较小的角度，从而使回收力达到最小( 如图2 7 示) 回收力大小 约为安装时拉力的三分之一。 2 2 3 d e n n l a 的优点 ( 1 ) d e n n l a 相对于普通v l a 的优点 安装时系泊缆索与海底平面的夹角可达到4 0 。，而普通v l a 安装时最大角度为 1 5 。，因此d e n n l a 大大节省了缆索输出，从而缩短了安装时间。此外，当d e n n l a 达到极限拖曳深度时超载，它不会失效，而是以定常载荷在海床里水平移动。最后， 大连理工大学硕士学位论文 d e n n l a 回收拉力较小，约为安装拉力的三分之一，而普通的v l a 约为安装拉力的 二分之一。 ( 2 ) d e n n l a 相对于负压锚的优点 在工作的时候，d e n n l a 减少了锚装卸船在装配和收回时的时间。d e n n l a 为 现有的深海锚泊系统节省了成本费用，这个特点是其他锚泊系统所无法达到的。 图2 1d e n n l a 式法向承力锚5 1 f i g 2 1 d e n n l a ，钮j j k 厂 图2 2d e n n l a 安装步骤一吲 f i g 2 2 t h ef i r s ts t e po f d e n n l ai n s t a l l a t i o n 毡 1 ：之2 ：。；i + ：。“。i ：”j 二。j 、。：。7 ：，：j 图2 4d e n n l a 安装步骤三 f i g 2 4 t h et h i r ds t e po f d e n n l ai n s t a l l a t i o n 一 图2 3d e n n l a 安装步骤二 f i g 2 3 t h es e c o n ds t e po fd e n n l ai n s t a l l a t i o n “? 。”- _ i _ “”i 一。一1 。 图2 5d e n n l a 安装步骤四 f i g 2 5 t h ef o u r t hs t e po f d e n n l ai n s t a l l a t i o n 深水绷紧索系泊系统设计研究 jj 。一“j 。之：。“。州。 图2 6d e n n l a 回收步骤一 f i g 2 6 t h ef i r s ts t e po fd e n n l a r e c o v e r y 2 2v l _ h 极限承载力计算方法 一 峭；。“，* t ，j 、一、二? n 图2 7d e n n l a 回收步骤二 f i g 2 7 t h es e c o n ds t e po fd e n n l a r e c o v e r y 2 2 1 经验公式法 到目前为止，v l a 极限承载力计算方法大都采用经验公式法。此方法基于传统板 式锚的承载力计算方法，结合原型试验发现一些适合v l a 的经验系数，从而用传统 板式锚的方法计算v l a 的极限抗拔力。 传统板式锚极限承载力计算公式【1 4 】 u p c = n c x a x s 。 ( 2 1 ) 其中，u p c 为极限承载力，鼠为板锚埋深处土的不排水剪切强度指标，彳为锚的 面积，m 为承载力系数。 s a r a he l k h a r t i b ，b r e y d e nl o n n i e ，m a r k 和f r a n d o l p h 在实验室中通过模型拖曳试 验对v l a 的抗拔特性进行研究，试验的结果表明，对于饱和黏性土中的v l a ，当 u c = 1 2 0 时，理论计算结果和试验结果达到了很好的吻合【”】 r o d e r i c kr u i n e n 和g i j sd e g e n k a m p 通过对v l a 的现场试验结果的研究，建议对 于埋深大于锚板长度三倍的v l a ，m = 1 2 0 【1 3 】 2 2 2 数值计算法 对缆索作用下锚和海床耦合系统建立有限元计算模型，计算模型完全比照实际工 程中的法向承力锚的工作状态，用理想弹塑性模型模拟v l a 周围的土体的非线性应 力应变行为，并采用v o nm i s e s 屈服准则。在a b a q u s 的l o a d 项中对锚板施加随时 间线性增大的位移约束，从而可以得到锚板上反力随位移的变化情况，当土体进入塑 大连理工大学硕士学位论文 性后根据七的理想弹塑性理论艏板上的反力将不会再随着位移的增大发生变化，而 是趋于一个定值。这个反力值可以近似等于法向承力锚的极限抗拔力 “i 23 数值算例 231 数值模型的建立 ( 1 ) 几何模型 针对法向承力锚和土体的耦合系统，建立三维模型。由于地基土是一个半空间体， 而在计算中只能截取一定的范围，所以参考已有的研究成果【i ，土体三个方向的最小 长度都满足大于锚板长度的3 倍。数值算例中选取v l a 和土体的模型为x 、y 、z 方向 各为4 0 m 的立方体，v l a 位于立方体的中央锚板与水平方向成4 5 。角。锚板的长 宽各为35 m ，厚度为o0 8 m 坐标原点位于锚板的中心。由于立方体关于x v 平面对称， 建模分析时只选取立方体模型的半进行。 图2 8v i a 几何模型 f i g2 8 g e o m e r a em o d e lo f v l a ( 2 ) 模型材料 土体采用墨西哥湾附近深海海床的饱和软粘土【” ，土体的不排水抗剪强度s 随深 度d 成线性变化，配= 鼠。+ i4 1 d ，其中海床表面土层的不排水剪切强度s o 。= 0 ，弹 性模量取土体不排水剪切强度的1 0 0 0 倍，即e = 1 0 0 0 s ，泊松比为o4 9 锚板材料采用 高强度钢材的材料参数，具体参数见下表。 衰2 1v l a 及周围土体的材料参数 t a b21m a t e r i a lp e t e r so f v l a d i t s u n d l “g m u d 深水绷紧索系泊系统设计研究 土体屈服准则采用v o n m i s e s 准则，v o n m i s e s 准则的屈服函数町以表示为m 】 f 1 f = c 2 0 ( 2 2 ) 由( 22 ) 粘性土有： ，2 以, 2 k 20 f 23 ( 23 ) 可知，在v o n m i s e s 准则成立时，对于做理想弹塑性分析的饱和 o - = d 3 c ( 2 4 ) 其中，k 为v o n m i s e s 材料屈服常数，t 为等效初始厢服应力，c 为土的粘结力。 ( 3 1 网格划分 根据计算分析的目的，兼顾到网格足够的疏密度和计算机的训算时间问题，将法 向承力锚和土体均离散为三维8 节点6 面体非协调单元。其中土体11 3 3 8 0 个单元，法 向承力锚1 2 0 0 个单元。有限元离散模型单元划分图如下。 幽2 9 v l a 有限元模趔 f i g2 9 f i n i t ee l e m e n t m o d e l 吖a 大连理工大学硕士学位论文 目21 0v l a 有限元模型正视圈 f i g2 1 0 f r o n t v i e wo f f i n i t ee 1 唧部t m o d e lo f v l a 黧 21 1 锚板附近网格划分幽 f i g 21 1m e s ha m 皿d v l a r 4 1 边界条件 有限元模型的边界条件取为：两侧边界采用水平方向约束，底部边界采用竖直方 向约束，正面，即x y 平面采用对称边界条件。考虑到法向承力锚法向受力的特点，以 锚板上表面中心节点作为坐标原点，以平行锚板平面方向为x 轴，垂直于锚板平面方 向为y 轴，建立局部坐标系。在局部坐标系下，对锚板上表面中心节点施加y 方向( 即 垂直