【摘 要】
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随着海洋能源与油气资源的开发由近海向深海迈进,浮式结构与固定式结构相比更适用于深海环境。浮式结构通过锚链与埋置于海床中的基础相连接,形成锚固系统。因此,锚固基础的
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随着海洋能源与油气资源的开发由近海向深海迈进,浮式结构与固定式结构相比更适用于深海环境。浮式结构通过锚链与埋置于海床中的基础相连接,形成锚固系统。因此,锚固基础的承载效率、可靠性与经济性显得至关重要。近年来,由于成本较低且安装便捷,动力安装锚受到越来越多的关注。动力锚通过在水中的自由落体获得动能,并贯入到海床中。工程中常用的动力安装锚有鱼雷锚和OMNI-Max锚。但是鱼雷锚承载效率低,OMNI-Max锚贯入深度较浅,因此课题组研制开发了一种具有贯入深度大、承载效率高、可下潜、成本低廉的新型轻质动力安装锚。本文采用数值模拟的方法研究了新型动力锚在砂土及粉土(c-φ)海床中的沉贯过程以及其在粉土中的旋转调节过程,为新型轻质动力安装锚的工程应用提供理论指导与依据。论文第一部分采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)大变形有限元分析方法研究了新型动力锚在砂土中的沉贯过程。考虑密砂的应变软化特性,而传统的摩尔库伦模型无法模拟密砂这一特性。因此本文对于密砂和中密砂采用修正的摩尔库仑模型,并将计算结果与文献中已有的试验工况进行对比验证。然后利用CEL方法进行参数化研究,分析了贯入速度、砂土密实度、接触面摩擦系数等因素对动力锚沉贯深度的影响。计算结果显示,在6倍助推器协助下,新型动力锚在不同密实度砂土中的锚尖埋深为锚长的1.20-2.49倍。根据数值计算的结果,基于总能量法提出了一个贯入深度预测的经验模型,便于在工程应用中进行快速预测。论文第二部分研究了新型动力锚在粉土中的贯入过程,并考虑了粉土中黏性项的软化效应和率效应对锚贯入深度的影响。新型动力锚在粉土中的贯入深度为0.73-4.65倍的锚长。当土体内摩擦角超过40°时,锚的贯入深度较浅,约为1倍锚长,无法提供足够承载力。论文第三部分利用CEL方法研究了新型动力锚在粉土中的旋转调节过程,并通过自定义荷载幅值子程序VUAMP考虑锚链的影响,避免建立锚链模型,提高计算效率。通过改变土强度参数、锚眼偏移角与锚的埋深,本文对新型动力锚的旋转调节特性进行了细致研究。当粉土的摩擦角为10°时,新型动力锚具有下潜性能。随着锚埋深的增加,锚承载力逐渐增大,且运动趋势由向土表面运动转变为向水平方向运动,即增大埋深有助于承载力的提高。
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