水下链铲式挖沟机切削土体有限元分析

2022-06-30李军营吕伟俊张其一

石油工程建设 2022年3期

王磊，李军营，吕伟俊，魏为，续明，张其一

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

2.天津市精研工程机械传动有限公司，天津 300409

3.中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100

近年来，由于陆地资源的枯竭和海底油气的大量发现，我国已非常重视海洋油气田的开发和利用。海底管道是海洋油气田开发过程中输送油气资源的重要设施，由于受复杂海洋环境的影响，海底管道极易受到损坏。为了避免海底管道受损，必须将其埋设到一定的深度[1]。目前，海底开沟作业常用的挖沟方法大致有4种：机械开沟法、高压水射流喷冲法、机械和水喷冲结合法、海管自然沉降埋设法。在国外，欧美等发达国家在海底挖沟技术方面的研究较早，积累了大量的工程经验，已经形成了系列化的开沟机装备，且主要技术由SMD、IHCEB、FET、Saipem-Sonsub、Nexans公司垄断[2]。我国的海底挖沟技术起步较晚，且海底土壤介质与强度、管径与重量、挖沟方式和挖沟深度对挖沟机的选择影响都很大[3]，所以，研制针对不同土壤的挖沟机势在必行。

国内外学者对海床开沟也进行了大量研究。谷凡等人[4]对海流-管-土耦合机理和3D局部冲刷机理等做了分析和总结。钱忠东等人[5]（2011）采用了欧拉多相流模型，开展了大量的冲刷研究。张树森等人[6]对海底冲射式开沟技术做了深入的研究与探讨。顾磊等人[7]（2017）采用ALE方法计算了射流冲刷砂土和黏土的问题。刘春光等人[8]对国外机械开沟技术进行了研究总结，该研究表明，除剪切强度外，土体的抗拉强度和液塑性质也对挖沟机破土有影响。

本文主要是基于一种硬质土壤链式挖沟机，对挖沟机切削土体进行研究。采用流固耦合非线性理论，利用CEL数值计算方法，对水下链铲式挖沟机开沟过程进行详细模拟计算，研究开沟过程中链铲对土体的切削作用与破土机理，给出工程上简洁、高效的切削荷载计算公式，给出开沟过程中准确的拖轮横向拖曳力。

1 数值模型

1.1 欧拉-拉格朗日数值算法

传统的拉格朗日分析法只适用于小变形的情况，如图1（a）所示：计算过程中节点和材料已设定，在外荷载作用下网格单元会发生变形；当荷载突变或量级较大时，单元网格将会发生畸变，从而导致数值计算无法收敛。相对而言，如图1（b）所示：采用欧拉-拉格朗日算法时，计算过程中网格节点在空间中固定，物质材料能够在网格内部流动，即使材料发生过大扭曲，单元网格也不会发生变形，所以数值计算过程中具有较好的收敛性。非线性有限元软件ABAQUS结合了二者的优点，采用了耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法，可以通过分析欧拉材料的体积分数（EVF）来跟踪其流经网格的情况，克服了传统有限元分析方法在处理大变形问题上的难题[9]。

图1 拉格朗日法和欧拉法的变形分析

1.2 模型建立

链铲式挖沟机有限元网格模型如图2（a）所示，包括：前置链铲切削装置、中置小口径水力切割装置、后置大口径喷冲装置、尾部抽吸扬泥臂。链铲式挖沟机采用小变形的拉格朗日弹性材料模拟。

数值计算过程中，海床土体设定为欧拉体，如图2（b）所示，采用大变形的欧拉材料模拟，土体本构关系采用Mohr-Coulomb模型，土体参数如表1所示。在开沟过程中，由于链铲的机械切削作用，链铲周围土体会发生隆起与扩散，故在海床土体顶部设置空隙层，以避免土体的边界流出；土体模型宽度取14D（D为链铲高度），土体模型长度取20D，土体模型高度取6D。数值计算过程中，采用速度边界条件对海床土体施加速度约束，在链铲参考点上施加恒定的速度来实现链铲对土体的切削作用，欧拉材料与拉格朗日体之间的相互作用使用通用接触对来定义。

图2 链铲式挖沟机有限元模型

表1 海床土体模型参数

1.3 模型验证

为了确保数值模型计算结果的准确性，需要对有限元模型的网格类型与数量进行对比试算，以及合理调整网格模型的边界条件。多次调整单元类型、网格数量与密度，最终选择了网格单元数目为2 482 578，单元类型为EC3D8R来进行数值仿真计算。试算过程如表2所示。

表2 有限元网格验证

2 数值计算

为了较为准确地对链铲切削过程进行模拟，分析土体的变形规律与链铲的切削阻力，本文采用图3所示的链铲模型进行计算。

图3 链铲模型

图3所示的4套链铲中，图3（a）为包含2个钭齿的一组链铲，数值计算过程中用于研究钭齿不同切入深度情况下周围土体的变形规律；图3（b）包含七组链铲，用于理论求解链铲的切削荷载平均值；图3（c）为一整套链铲结构，包含八组不同尺寸、不同布置形式、不同钭齿间距的链铲，该布置形式为链铲式挖沟机的实际结构形式，数值计算结果用于跟图3（b）的理论结果进行校核与比对；图3（d）为链铲挖沟机的实际模型，参见图2（a），用于模拟海床土层的开沟效果。

2.1 土体变形规律

在链铲垂直切削作用下，海床土体产生局部切削，链铲钭齿周围很小范围的土体被钭齿切削破碎，切削土层塑性应变如图4所示。

图4 链铲切削土层塑性应变

图4显示钭齿尖部切入土层时，钭齿尖端直接与土体的相互作用，齿尖将前部土体切碎、剥离；同时，在齿尖的挤压作用下，齿尖周围土体发生挤压大变形；距离齿尖距离越远，土体发生塑性变形的程度越弱，所以本文设计的链铲结构为变尺寸形式，参见图3（c）。

为了进一步研究齿尖入土深度对切削变形的影响，对不同切厚情况下的链铲切削规律进行了数值模拟，钭齿入土深度分别取为D1=10 mm、D2=60 mm、D3=90 mm，如图5（a）所示。

由图5（b）～（d）所示的钭齿周围土体变形规律可知：随着钭齿切入土层深度的增加，钭齿周围被破碎、切削的土体逐渐增多；当链铲整体被压入土层时，链铲前部土体被整体切削，切削土体尺寸（长×宽×深）为361 mm×114 mm×90 mm，如图5（d）所示；当切削厚度为D2=60 mm时，整个钭齿全部切入土层，同时连带部分齿座的切削作用，如图5（c）所示，导致链铲两侧切削土体范围与钭齿尖端挤压土体厚度都大于图5（b）所示的工况。