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基于CEL算法的船舶霍尔抛锚贯入深度的研究

2020-01-03 10:07:30 中国水运 2020年12期

刘国恒 马双福

摘 要:抛锚是船舶航行过程中一个重要作业环节,遇到危险航行状态时,抛锚是保证船舶安全的重要手段。随着海洋开发的不断扩张,海底管线,海洋资源开采设备被广布于海底。这些设备在布置前必须明确布置海域的船舶航行抛锚作业情况,以免受到船舶抛锚时的破坏。本文基于ABAQUS软件,利用采用CEL算法(耦合欧拉-拉格朗日算法),对霍尔锚抛锚时的贯入深度进行了研究,并与实验结果进行了对比。结果显示,采用CEL算法,可以准确地预报锚的灌入深度,且发现锚的灌入深度与锚触底速度成线性关系。

关键词:霍尔锚;贯入深度;ABAQUS;CEL算法

海洋开发成为本世纪的重要发展方向,越来越多的设备被埋入海底,这些海洋资源开发设备在海底布放后除了要经受极大的水压,海底洋流冲刷等影响,还要受到过往船只抛锚作业的潜在威胁[1]。锚的贯入深度影响海底设备是否被破坏,海底设备埋深越深,受到抛锚作业的威胁就越小。但海底埋放设备成本巨大,且埋深越深,施工难度与成本越高。因此,准确掌握设备埋设海域的抛锚贯入深度是至关重要的。

王洪波对霍尔锚与斯贝克锚抛锚深度进行了模型试验研究,发现锚的贯入深度随抛锚速度的增加而增加,水平速度对锚的竖直贯入深度影响较小[2]。对于锚贯入深度的计算方法,各个国家对尚未形成统一的认识,锚贯入深度的经验公式主要有基于DNV规范的能量法与基于牛顿第二定律的微分方程法[3]。 CEL算法(耦合欧拉-拉格朗日算法)适应于大变形计算,王懿等采用CEL算法对抛锚入泥深度与锚质量不排水抗剪强度进行了分析[4]。David Osthoff等人采用欧拉-拉格朗日耦合方法进行了数值模拟,研究锚索运动对海底缆索的影响,并推导其可能的损伤机制,并发现埋缆深度为1.5m时仍可能受到来自土壤的压力[5]。

本文运用ABAQUS软件,基于CEL方法对霍尔锚抛锚的贯入深度进行了数值模拟计算并与试验结果进行了对比。结果显示,此方法可以快速准确地得到锚贯入深度得结果。

1几何模型及材料属性

1.1  锚几何模型及材料属性

本文中采用的单位制为:米-千克-帕斯卡(mm-T-MPa),模型与原型比尺为1:15。

本文以缩尺后的霍尔锚模型为例,霍尔锚原型尺寸来自于标准《GBT 546-1997霍尔锚》,霍尔锚的三维几何模型如下图1所示。霍尔锚模型的材料为铸铁,假设为刚体材料,其模型质量约为5kg。

1.2  海底土壤几何模型及材料属性

海底土壤在锚贯穿过程中会发生大变形,因此不能用拉格朗日网格去划分,所以将土壤模型建成三维欧拉体,其三维模型如下图2所示,整个模型长1500mm,宽1500mm,高706mm,从上到下一共被分为三层,第一层高度为20mm,为空的欧拉域,用于贯穿过程中土体的飞溅和堆积;第二层高度为386mm,是非常软的粉质粘土;第三层高度为300mm,是中密实的砂质粉砂。

本文土壤性质采用Mohr-Coulomb本构模型描述,土体的抗剪强度为:τ_f=σ tanφ+c。其中τ_f为土体抗剪强度,σ为法向应力,φ为内摩擦角,c为粘聚力。因此数值模型中需要确定的土壤参数有:密度,弹性模量,泊松比,内摩擦角,粘聚力。根据文献1中提供的各种土体参数范围,并将参数按照模型进行缩尺,选定不同土质的参数如表1所示:

2  CEL法分析

本文采用CEL算法(耦合欧拉-拉格朗日算法)对整个模型计算,CEL方法结合了拉格朗日算法和欧拉算法的优点,其中锚模型采用拉格朗日网格划分,拉格朗日网格随物体运动,因此可以精确捕捉物体界面[4,5]。土壤模型则采用欧拉网格划分,欧拉网格固定不动,材料在网格内运动,因此不会产生大变形。整个模型采用动力显式分析。

3模型装配及网格划分

3.1 模型装配及相互作用

霍尔锚模型、锚杆模型和土壤模型装配如下图4所示,整个锚模型位于空白欧拉域上方中间区域的表面,这样锚在初速度下可以迅速降落到海底土壤表面。其中设置锚与土壤间的摩擦系数为:f=tanφ,锚杆与锚之间是通过铰链接耦合,摩擦系数设置为0.1,最大转角为±39°。

3.2  网格划分

本文采用四边形拉格朗日单元网格对其进行划分,其中整个区域的网格尺寸为4mm,在铰接孔处局部区域进行加密,网格尺寸为2mm,网格划分如下图5所示,其中整个锚模型(锚+锚杆)网格数量共约12000。土壤模型采用八节点六面体欧拉单元E3D8R进行网格划分,整个区域最大网格尺寸为20mm,最小尺寸为4mm,网格从四周边界(20mm)到中间区域(4mm)采用单精度逐渐加密,网格总数63万。

4初始和边界条件

4.1初始条件

锚的速度:赋予锚以3000mm/s速度垂直下降,同时赋予800mm/s的水平前进速度;欧拉域材料指定:将非常软的粉质粘土和中密实的砂纸粉砂分别赋予对应的欧拉层; 相互作用:设置锚和土壤的接触为通用接触。

4.2邊界条件

锚:设置锚的质心和转动惯量,设置六个自由度;

欧拉域:欧拉域四周在法向位移上约束,欧拉域底面在三个方向位移上约束;

重力:赋予整个模型垂直向下的重力场。

5  地应力平衡

对单独的土壤模型进行静力通用分析,第一次计算结果如下图6(左)所示,可以发现,土壤在重力作用下最大垂直位移达到-9mm,这会使得锚贯入土壤的分析有着较大的误差,因此需要进行进一步迭代计算,将第一次计算的结果导入第二次静力通用分析中,第二次计算结果土壤位移如图6(右)所示,可以看出,土壤垂直方向最大位移不到1mm,已经达到收敛标准。

6不同锚的速度下贯入土壤深度分析

将上一步地应力平衡中土壤应力通过初始条件赋给模型,同时工况设置如下表2所示,进一步计算整个过程。其得到的土壤体积分数分布和锚贯入深度如下图7-8所示。

7结论

本文基于CEL方法,利用有限元软件ABAQUS,对霍尔锚抛锚时的贯入深度进行了数值模拟计算,对锚的不同下落速度时的贯入深度进行了比较,发现锚的贯入深度随锚触底时的速度增大而增大,且近似成线性增长关系。此方法可以快速地得到锚贯入深度的结果,并将数值结果与试验结果进行了比较,误差在6.5%以内,误差较小,可靠性高。因此,该方法可以作为锚贯入深度的快速评估方法,其结果可以作为实际工程的重要参考依据。

参考文献:

[1]王振宁.应急抛锚载荷作用下海底管道埋深数值模拟研究[D].武汉理工大学,2016.1-5.

[2]王洪波.霍尔锚与斯贝克锚抛锚深度模型试验研究[D].大连理工大学,2019.1-8.

[3]冯士伦,朱晓宇,李焱,等.抛锚贯入深度计算方法比较研究[J].海洋技术学报,2020,39(02):91-97.

[4]王懿,贾旭,黄俊,等.基于CEL的船舶抛锚入泥深度分析[J].石油机械,2014,42(12):44-47.

[5]Osthoff D , Heins E , Grabe, Jürgen. Impact on submarine cables due to ship anchor – soil interaction[J]. Geotechnik, 2017, 40(4),265-270.