黏土中板形重力安装锚和吸力式安装平板锚的旋转调节过程

摘要

随着石油/天然气的开发走向深海，海上油气开采平台面临日益恶劣的工作环境。采油平台的失事会造成巨大的经济损失和严重的人员伤亡。锚固系统作为深海油气开采平台的重要组成部分，对保证平台安全运行具有关键作用。越来越深的开发水域对锚固系统提出了新的要求，锚固系统也逐渐由传统的重力式基础结构发展到由锚和锚链构成的悬链线系统。由于安装简便且安全可靠，板形重力安装锚和吸力式安装平板锚在海洋工程中得到了广泛应用。但是对于这两种板形锚（锚板）在深海黏土中应用时的性能，还没有得到充分的认识。锚安装完成时的姿态与最终承力时的姿态是不同的，锚要经过一个旋转调节过程来达到最终承力姿态。这个调节过程将导致锚埋深的损失，从而降低锚的承载能力，而抗拔承载力是锚板设计的要点，也是海洋工程研究领域的热点和基础问题。因此，对锚板旋转调节过程及其承载力特性的研究具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文以板形重力安装锚(Gravity Installed Plate Anchor-GIPLA)和吸力式安装平板锚(Suction Embedded Plate Anchor-SEPLA)为对象，采用塑性分析方法对黏土中锚的旋转调节过程和承载力特性问题进行了研究。研究结果与三维大变形有限元(Three-dimensionalLarge Deformation Finite Element-3D-LDFE)分析方法的结果进行对比。并用塑性分析方法研究了上拔倾角和锚眼偏移角对埋深和承载力的影响、以及两个参数的耦合作用，并由此找到了提高锚板承载力的应用条件和优化设计方向。
　　论文第一部分为板形重力安装锚在黏土中的旋转调节过程研究。由于板形重力安装锚结构形式复杂，目前对板形重力安装锚的研究都是基于实验的。大多为贯入深度测试，其它的为拔出模型试验。关于锚板在黏土中的承载力特性及旋转调节过程的数值分析成果还未见到发表。为了探明板形重力安装锚受到上拔力下潜的规律和内在机理，通过小变形有限元分析结合最小二乘拟合建立了塑性模型。用塑性分析方法对锚板的旋转调节过程进行了研究，结果与大变形分析进行了比较，吻合很好。然后采用塑性分析方法研究了荷载倾角、锚眼偏移量以及土体强度特性等参数对承载力和埋深损失的影响规律。结果表明当加载角和锚眼偏移量设置恰当时，重力锚旋转调节之后会下潜并提高抗拔承载力。
　　论文第二部分研究了吸力式安装平板锚在黏土中的旋转调节过程。吸力式安装平板锚有一个可绕锚爪旋转的翼板。翼板的实际工作性能有很多学者进行过研究。但由于吸力式安装平板锚几何形状复杂，这些研究对其均有较大程度的简化，这些过多的简化对研究结果可能会造成很大的误差。本文充分考虑了吸力式安装平板锚的实际结构型式和工作条件，对其在黏土中的旋转调节过程进行了比较贴近实际的数值模拟，并对翼板的实际作用进行了分析。最后采用参数化方法研究了吸力式安装平板锚的下潜潜能，并在此基础上提出了对锚板进行优化设计的方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 海洋工程常用锚固基础简介

1．3 锚板承载力问题研究现状

1．4 论文的研究目的和主要工作

2 锚板承载力的数值分析方法

2．1 三维RITSS大变形有限元方法

2．1．1 RITSS方法

2．1．2 计算程序

2．2 塑性分析方法

2．2．1 塑性分析方法基本概念

2．2．2 塑性分析方法研究概况

2．2．3 塑性屈服包络面的确定

2．2．4 塑性分析方法计算流程

3 板形重力安装锚在黏土中的旋转调节

3．1 引言

3．2 有限元模型

3．2．1 有限元网格

3．2．2 材料参数

3．3 塑性分析模型

3．3．1 锚板参考点的选择

3．3．2 屈服包络面参数验证

3．3．3 塑性分析计算方法

3．4 塑性分析和大变形有限元分析的结果对比

3．4．1 锚板旋转调节过程中的承载力

3．4．2 锚板旋转调节过程中的埋深损失

3．4．3 锚板位移轨迹

3．5 参数化研究

3．5．1 荷载倾角的影响

3．5．2 锚眼偏移量的研究

3．5．3 土体强度曲线的影响

3．6 小结

4 吸力式安装平板锚在黏土中的旋转调节

4．1 引言

4．2 塑性分析模型

4．2．1 SEPLA旋转调节分析中的变量

4．2．2 翼板运动的三种状态

4．2．3 塑性屈服方程的建立

4．3 三维大变形有限元分析模型

4．4 塑性分析和大变形有限元分析的结果对比

4．5 塑性分析模型的可靠性验证

4．6 旋转翼板的有效性

4．7 下潜反应的研究

4．8 小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 进一步研究方向展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢