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1、XXXXXXXXXXXXXXXX研究,专业：XXX 导师：XXX 答辩人：XXX,论文思路,船锚拖坏海管事故频发,海底管线广泛应用,模型 试验,试验分析,数值 模拟,结论,绪论,碎石结构模型试验研究,碎石结构保护机理分析,ABAQUS数值模拟研究,结论与展望,论文结构,1.绪论,1.1研究背景,海底管线的作用和优势？为什么要保护？,随着经济迅速发展，对油气资源的需求越来越大，海上油田日益增多。 与船舶运输相比，海底管线运输油气更加快捷、经济、可靠。,船舶航线和锚泊区域与海底管线交叉重叠，近几年发生多起管线被拖锚损坏的事故，造成巨大经济和生态损失。,1.绪论,什么是碎石保护结构？,碎石保护结构是
2、保护海底管线的常用工程措施，施工过程为：在海底土中挖出沟槽，铺设海底管线，并用碎石掩埋。,1.绪论,海底管线 防锚损坏,主要为利用概率理论研究抛锚对海管影响 海底管线保护措施有回填掩埋、双层管、混凝土保护层、设置禁锚区等。,1.2研究现状,船舶走锚,走锚的根本原因是锚泊船所受外力的水平分量大于锚与锚链产生的系留力,拖锚数值模拟,TSriskandarajah 和RWilkins 利用ABAQUS研究了不同状态 管线被锚爪拖拽时的内力 Wang L Q和Chia H K利用ABAQUS研究拖动锚体经过管线保护层的过程，得出了锚体拖动轨迹,1.绪论,目前国内外对海底管线防止拖锚损坏研究较少，尤其对
3、工程常用的碎石保护结构了解很少，缺少模型试验研究，也不了解其保护效果和保护机理。,1.3 本文研究内容和创新点,本文针对三个模型锚进行了十次拖锚试验，得到了锚从细砂进入碎石的运动轨迹和运动规律，验证了碎石结构的保护效果。 运用被动土压力和力学理论，分析了碎石结构的保护机理。 利用ABAQUS建立拖锚模型，包括复杂锚体模型和欧拉土体模型，得到了锚的运动轨迹，进一步验证了碎石结构的保护效果。,绪论,碎石结构模型试验研究,碎石结构保护机理分析,ABAQUS数值模拟研究,结论与展望,论文结构,2.碎石结构模型试验研究,2.1试验装置,试验装置包括试验槽及土体材料，质量为70.5kg、23.9kg和5.
4、7kg的三个模型锚，量测设备和加荷设备。,2.2试验设计,根据抛锚方式和抛锚位置的不同，现实中锚落下时的位置和落入土中的深度有多种可能，因此将锚与碎石接触时的状态分为以下五种工况，模型锚的位置也对应有五种情况。,所模拟工况,所模拟工况,2.碎石结构模型试验研究,2.3试验方法,细砂,碎石,数据采集仪,笔记本电脑,2.碎石结构模型试验研究,传感器,绪论,碎石结构模型试验研究,碎石结构保护机理分析,ABAQUS数值模拟研究,结论与展望,论文结构,3.碎石结构保护机理分析,3.1 试验数据整理,各种工况下70.5kg模型锚的锚爪尖端深度、锚抓力随锚位置变化曲线图。,各种工况下5.7kg模型锚的锚爪尖
5、端深度、锚抓力随锚位置变化曲线图。,3.试验数据整理与分析,3.1 试验数据整理,3.试验数据整理与分析,3.1 试验数据整理,23.9kg模型锚的锚爪尖端深度、锚抓力随锚位置变化曲线图,拖锚从细砂进入碎石时锚的运动规律： 拖拽开始时，锚爪开始向砂土中嵌入，锚爪与锚柄夹角增大，锚抓力增大，锚体在砂土中的深度先增大然后趋于稳定； 锚体接触到碎石保护结构后，锚爪与水平面夹角增大，锚冠抬升，锚爪深度减小，锚抓力减小，然后再次达到稳定状态。,细砂,碎石,矩心O,F土,F土,G,N,拖拽力,3.碎石结构保护机理分析,3.2 锚体受力分析,锚在土中主要受力：锚挤压土体产生的被动土压力、土的支持力和锚自身重
6、力。这些外力形成了以锚柄端点为矩心的转动力矩和抗转力矩，当两个力矩平衡时，锚在土中水平运动，不发生转动。,3.试验数据整理与分析,3.3 锚体转动机制分析,细砂,碎石,矩心O,F土,F土,G,N,拖拽力,当锚进入碎石时，碎石内摩擦角大于细砂，导致土压力增大，转动力矩增大，而抗转力矩不变，导致锚发生顺时针转动，锚爪深度减小，锚抓力减小；此时土压力减小，当转动力矩减小到再次等于抗转力矩时，锚达到力矩平衡状态。,绪论,碎石结构模型试验研究,碎石结构保护机理分析,ABAQUS数值模拟研究,结论与展望,论文结构,4.ABAQUS数值模拟研究,4.1 模型建立,本文对有无碎石结构两种情况分别进行数值模拟，
7、通过对结果进行对比验证碎石结构保护效果。 为适应拖锚过程中的大变形，在显式动力分析模块中使用耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法，建立3m*1.5m*1m欧拉体模型。 无碎石结构模型中，将欧拉体分割成两部分，对欧拉体下部0.6m赋予细砂材料属性；而有碎石结构模型中，将欧拉体分成三部分，下部平均分割，分别赋予细砂和碎石材料属性。土体变形可以扩展到空区域。,4.ABAQUS数值模拟研究,4.1 模型建立,锚与土体的接触关系为通用接触。对锚体、细砂和碎石分别选择线弹性和摩尔库伦本构模型，物理力学参数取值如下表所示。,分别建立锚冠（包括锚爪）、锚柄和锚链模型，总质量约为5.7kg，分别耦合为刚体，然后以
8、铰接（HINGE）的形式连接在一起，使其可以绕一个方向转动。,铰接,4.ABAQUS数值模拟研究,4.1 模型建立,划分网格时对锚冠、锚柄和锚链采用八节点六面体线性减缩积分（C3D8R）单元，对欧拉体采用八节点六面体线性减缩欧拉（EC3D8R）单元。,模拟过程分两步，首先对土体施加重力进行地应力平衡，然后对锚链参考点施加水平位移荷载，使其发生2m的位移。,4.ABAQUS数值模拟研究,4.2 无碎石结构数值模拟结果,无碎石结构时的数值模拟应力云图和数值模拟动画。,4.ABAQUS数值模拟研究,4.2 无碎石结构数值模拟结果,无碎石结构时锚爪尖端深度与锚抓力变化曲线图，可以看出拖锚开始后，锚尖深
9、度和锚抓力都是先迅速增大然后趋于稳定，与试验过程相同。 锚尖深度和锚抓力与试验结果相似，可以证明数值模拟的可靠性。,显式动力分析过程中的能量变化曲线图，相对于外力做功和内能，总能量的变化非常小，可以忽略不计，因此可以认为模拟过程符合能量守恒定律，是可靠的。,4.ABAQUS数值模拟研究,4.2无碎石结构数值模拟结果,4.ABAQUS数值模拟研究,4.3 有碎石结构数值模拟结果,4.ABAQUS数值模拟研究,4.3 有碎石结构数值模拟结果,有碎石结构存在时，锚进入碎石时锚抓力和锚尖深度明显减小。,4.ABAQUS数值模拟研究,4.3 有碎石结构数值模拟结果,与无碎石结构相似，总能量的变化极小，可
10、以认为模拟过程符合能量守恒。,4.ABAQUS数值模拟研究,4.4 有无碎石结构数值模拟结果对比,通过有无碎石结构情况对比，可以进一步验证碎石结构的保护效果。,绪论,碎石结构模型试验研究,碎石结构保护机理分析,ABAQUS数值模拟研究,结论与展望,论文结构,5.结论与展望,5.1 结论,试验过程和结果表明，霍尔锚在拖拽作用下从细砂进入碎石的基本运动过程为： 拖拽开始时，锚爪向砂土中嵌入，锚抓力和锚体在砂土中的深度先增大然后趋于稳定；进入碎石保护结构后，锚爪与水平面夹角增大，锚冠抬升，锚爪深度和锚抓力减小，然后再次达到稳定状态。从而验证了碎石结构的保护效果。 碎石结构的保护机理： 锚体在土中受到
11、的外力形成了以锚柄端点为矩心的转动力矩和抗转力矩。碎石的内摩擦角较大，土压力较大，使锚的转动力矩大于抗转力矩，锚体发生旋转并抬升，从而远离海底管线。 本文对拖锚过程进行了ABAQUS数值模拟，进一步验证了碎石结构的保护效果，并证明数值模拟方法是可靠的。,5.结论与展望,5.2 展望,由于时间和条件的限制，以下工作需要进一步的研究： 模型试验选择的海底土体只有细砂，但海底存在大量的淤泥质粘土等其他岩土材料，对这些岩土材料也需要进行拖锚试验； 试验所用的碎石颗粒较小，但实际工程所用的石块较大，因此需要对不同尺寸的碎石进行试验； 实际工程中，碎石保护结构的尺寸，尤其是厚度、宽度和倾角的设计还处于经验阶段，如果能提出设计规范对保证海管安全和降低造价具有重大意义。,谢谢大家！,敬请各位老师批评指正,
