基于ANSYS的淤泥質(zhì)海底海床基吸附力研究

于凱本，楊 濤，單體坤，孟慶健，李正光

（1.國家深海基地管理中心，山東 青島 266200；2.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266100）

基于ANSYS的淤泥質(zhì)海底海床基吸附力研究

于凱本1，楊 濤2，單體坤2，孟慶健1，李正光1

（1.國家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266200；2.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266100）

為了解決海床基在淤泥質(zhì)海底的吸附力問題，利用ANSYS軟件，采用接觸分析、三維十節(jié)點實體單元以及Drucker-Prager模型模擬淤泥結(jié)構(gòu)，分析了海床基在淤泥質(zhì)海底的吸附力大小，然后與經(jīng)驗公式比較，證明了ANSYS對海床基吸附力分析的可行性；海床基在不同工況下的吸附力模擬對海床基的回收方式及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提供了一定的指導。

ANSYS；海床基；Drucker-Prager模型；吸附力

海床基作為一種坐底式海洋監(jiān)測裝置，以連續(xù)長期測量、受海況影響小和監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量及可靠性高等優(yōu)勢，正在海洋監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。海床基與海底底質(zhì)之間的吸附力是影響海床基順利回收并獲得可靠觀測數(shù)據(jù)的主要因素。淤泥質(zhì)海域?qū)ζ溆绊懹葹槊黠@。而我國又是淤泥質(zhì)海岸分布十分廣泛的國家，中國的渤海灣沿岸及江蘇中南部海岸是世界上最著名的淤泥質(zhì)海岸。我國淤泥質(zhì)海岸岸線總長度在4 000 km以上，約占全國大陸海岸線的1/4[1]。面對分布廣闊的淤泥質(zhì)海岸線，海床基在布放和回收的過程中不可避免地要受到淤泥的影響，所以對海床基在淤泥質(zhì)海域中吸附力問題的研究對提高海床基監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和保證海床基的順利回收具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學者對潛坐機構(gòu)的吸附力問題進行了一定的研究。張日向[2]等對海底結(jié)構(gòu)物的吸附力進行了機理研究；馬駿[3]等考慮了結(jié)構(gòu)幾何特性和潛深等因素對太沙基承載公式進行了修改，得到了吸附力的估算公式，并應(yīng)用于YOKE結(jié)構(gòu)物的吸附力計算。胡展銘[4]等對海床基在不同底質(zhì)類型下的吸附力進行了分析。Sawicki[5]等人則通過數(shù)值方法對吸附力產(chǎn)生機理進行了研究。從以上研究可以看出，現(xiàn)階段對吸附力的研究主要運用理論和試驗兩種方式。由于海底沉積物復雜多樣,海底底質(zhì)主要有粘土、亞粘土、砂土、亞砂土、淤泥和砂土等不同類型。即使是單一的淤泥底質(zhì)，不同區(qū)域淤泥的組成也不相同。所以單一的理論公式不能很好地解決海底底質(zhì)類型對海床基的吸附力問題。而吸附力試驗又受海況等外部環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)的可靠性低，并且試驗的難度較大，性價比較低。

為了降低吸附力研究的成本，擺脫傳統(tǒng)的吸附力分析方式，本文通過有限元分析軟件ANSYS，對海床基在淤泥質(zhì)海底的吸附力問題進行模擬分析，結(jié)合理論吸附力公式驗證海床基吸附力模擬的可行性，并模擬海床基底座開孔數(shù)目與海床基吸附力的關(guān)系。以期為海床基吸附力的研究開辟一條捷徑。

1 吸附力公式的選取

為了驗證ANSYS對海床基吸附力模擬的可行性，根據(jù)吸附力經(jīng)驗公式，在斯肯普頓吸附力公式、太沙基吸附力公式和長畸左治吸附力公式中選擇海床基吸附力模擬的基準公式。

（1）斯肯普頓（Skempton）吸附力公式[6]：

根據(jù)斯肯普頓（Stempton）承載力公式推導出底質(zhì)對坐底結(jié)構(gòu)物的吸附力公式為：

式中：Ft為坐底結(jié)構(gòu)的吸附力；D為結(jié)構(gòu)物在底質(zhì)中的浸沒深度；B為結(jié)構(gòu)物的寬度；L為結(jié)構(gòu)物的長度；A為結(jié)構(gòu)物與底質(zhì)的水平投影接觸面積；S為底質(zhì)的剪切強度。

（2）太沙基（Terzaghi K.）吸附力的修正公式[3]：

考慮浸沒深度以及結(jié)構(gòu)物自身等因素的影響，對太沙基承力公式進行修正，得到了其吸附力公式：

式中：SR為結(jié)構(gòu)物與底質(zhì)的接觸面積；SP為結(jié)構(gòu)物在底質(zhì)中的投影面積；其余符號同上。

（3）長畸左治吸附力公式[3]：

式中：H為結(jié)構(gòu)物地面下軟粘土的厚度；D為結(jié)構(gòu)物的直徑；S為軟粘土的抗剪強度。

綜合3種吸附力公式，長畸左治吸附力公式考慮的是薄層軟粘土對吸附力的影響，不適合于本文的吸附力分析。斯肯普頓吸附力公式和太沙基吸附力公式類似，而太沙基是對斯肯普頓公式的修正，其考慮了浸沒深度以及結(jié)構(gòu)物自身等因素對吸附力的影響，準確度更高，所以本文選擇太沙基公式作為吸附力的計算公式。

2 ANSYS計算模型的建立

2.1 海床基模型及土體邊界的確定

海床基模型選取國家深?；毓芾碇行难兄频?800型抗拖網(wǎng)海床基，其底座直徑為1 800mm，高度為500mm。為了模擬淤泥的無限空間結(jié)構(gòu)，取淤泥模型在水平方向上的尺寸為海床基底面尺寸的5倍，在豎直方向上取淤泥尺寸大于海床基總高度的3倍[7]。所以，綜合上述分析，取淤泥模型長度和寬度均為9 000 mm，高度取2 000mm。

2.2 計算模型的簡化及參數(shù)確定

1800 型抗拖網(wǎng)海床基的重量分布如表1所示。

表1 1800型抗拖網(wǎng)海床基質(zhì)量分布表

由表1可以看出，1800型抗拖網(wǎng)海床基由多個部件組成。并且海床基外形是影響其吸附力的主要因素，浮體艙、浮體以及其他部件由于不與淤泥直接接觸，其對吸附力的影響只是表現(xiàn)在重量上，與內(nèi)部零件形態(tài)無關(guān)。所以在建模時為了便于網(wǎng)格劃分和簡化計算機計算工作量，避免由于小面等因素對網(wǎng)格質(zhì)量的影響。將海床基簡化為實體部件，并且根據(jù)海床基外觀尺寸建立海床基的等比例實體模型，根據(jù)海床基的體積和質(zhì)量確定結(jié)構(gòu)模型的密度（圖1）。海床基的簡化模型如圖2所示。

圖1 海床基原模型

圖2 海床基簡化模型

由渤海沉積物調(diào)查資料[8]可以得到淤泥的物理力學性能指標，具體參數(shù)如表2所示。

表2 渤海海域淤泥的物理力學參數(shù)

2.3 淤泥分析模型設(shè)置

Ducker-Prager是ANSYS進行巖土類分析的專用模型，可用于模擬受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度且受剪切時會膨脹的土體材料。

ANSYS中設(shè)定D-P模型需要輸入3個參數(shù)來描述土體模型，即粘聚力c，內(nèi)摩擦角Φ，剪脹角ψ。Ducker-Prager準則是Mohr-Coulomb（摩爾庫倫）準則的近似，其等效應(yīng)力可以表示為：

式中：σe為修正的等效應(yīng)力；σm為靜水壓力；β為材料參數(shù)；{S}為偏差應(yīng)力；[M]為Mise屈服準則總的M值；C為材料模型的粘聚力；Φ為材料的內(nèi)摩擦角；土體模型中粘聚力c及內(nèi)摩擦角Φ可以依據(jù)表2中數(shù)值進行設(shè)定。D-P模型中還需要輸入土體材料的剪脹角ψ，其控制土體中將要發(fā)生膨脹的數(shù)量，其參數(shù)的設(shè)定依據(jù)圖3進行說明。在子午線上畫出屈服面，“P”表示靜水壓，“q”表示修正等效應(yīng)力，如圖3所示：

圖3 剪脹角與內(nèi)摩擦角關(guān)系

當ψ=Φ時，則土體的流動準則為相關(guān)流動準則，此時土體將發(fā)生明顯的體積膨脹；當ψ<Φ時，土體的流動準則為非關(guān)聯(lián)準則，此時土體發(fā)生較小的體積膨脹；當ψ=0時，則土體不發(fā)生膨脹(塑性流動與屈服面垂直)，通常這是一種更加保守的途徑，所以本文模擬中選擇土體內(nèi)摩擦角為0。

2.4 接觸面的設(shè)置

ANSYS中模型的接觸分為兩種基本類型：剛體-柔體的接觸、柔體-柔體的接觸。本文中海床基與淤泥的接觸屬于兩種基本類型中的剛體-柔體接觸，并且為面面接觸。ANSYS中在涉及兩個面接觸時，要將一個邊界作為“目標”面，而把另一個面作為“接觸”面。對于剛體-柔體接觸來說，目標面總是剛性面，接觸面總是柔性面，目標面與接觸面組成接觸對。

所以在本文中海床基模型面為“目標”面，選擇Target170單元，淤泥模型面為“接觸”面，選擇Conta174單元。由于“Augmented Lagrange Method”算法較其他接觸算法不易引起病態(tài)條件并且對接觸剛度矩陣的靈敏度影響較小，所以本次模擬采用“Augmented Lagrange Method”算法。

3 模擬結(jié)果分析

通過ANSYS模擬海床基在不同提升力作用下的位移情況，從而確定海床基在淤泥質(zhì)海域的吸附力大小，將模擬結(jié)果與吸附力公式計算結(jié)果進行比較，判斷ANSYS對海床基吸附力模擬的可行性；分析海床基在提升力作用下周圍淤泥的位移場分布狀況；模擬不同工況下海床基的吸附力大小。

3.1 海床基吸附力計算

由式（2）可知，太沙基計算公式中存在結(jié)構(gòu)物的長度和寬度參數(shù)，而海床基底座結(jié)構(gòu)為圓形，所以本文在海床基吸附力計算時假定其長度和寬度相等，得到海床基的吸附力近似為76.98 kN。

通過ANSYS模擬海床基在淤泥浸沒深度為0.2m時不同提升力的作用下的位移曲線，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同提升力下海床基位移曲線

從圖4可以看出，海床基在70 kN左右的提升力作用下發(fā)生突變，說明在淤泥結(jié)構(gòu)在提升力作用下發(fā)生破壞，海床基與淤泥開始逐漸分離，此時狀態(tài)下的海床基的提升力就可以看作是海床基的極限提升力。由此可以看出海床基計算結(jié)果與模擬結(jié)果誤差較小，分析可行。

模擬結(jié)果與公式計算結(jié)果存在差別，主要原因有以下幾點：（1）本文中運用經(jīng)驗公式對海床基吸附力進行計算時采用近似方法，與實際存在誤差；（2）在ANSYS分析中假定淤泥為理想彈塑體，實際中淤泥的破壞分為彈性變形和拉伸破壞兩部分，ANSYS的理想彈塑性假設(shè)使模擬結(jié)果存在誤差。（3）不同海域的淤泥物理力學性能也有差別，理論公式?jīng)]有考慮淤泥物理性能的影響，這也是造成誤差的一個方面。

3.2 海床基位移場分析

選取某一提升力作用下淤泥位移等值線云圖和矢量云圖如圖5～圖6所示。

圖5 淤泥位移等值線圖

圖6 淤泥位移矢量圖

從圖5可以看出，海床基在提升力的作用下，淤泥的位移量由海床基中心向外次減小，最外圍淤泥的位移基本為零，說明所選擇的淤泥的邊界合適。從圖5中還可以看出，淤泥的位移由中心逐漸向兩邊減小，與海床基接觸處位移最大。從圖6淤泥位移的矢量圖可以直觀地看出淤泥結(jié)構(gòu)在海床基作用下的運動方向，淤泥的位移并不是豎直向上的，而是傾斜向外，這說明淤泥在自身粘聚力的作用下位移，由中心向四周擴散，淤泥的位移主要是由海床基底面與淤泥之間的相互作用產(chǎn)生的。

3.3 海床基浸沒深度對吸附力的影響

當海床基投放至海底進行海洋環(huán)境監(jiān)測時，由于海床基自重和環(huán)境中泥沙沉降等因素的影響，海床基會被淤泥等底質(zhì)部分浸沒，所以在吸附力分析中要充分考慮海床基在海底中不同浸沒深度下的影響。本文模擬了海床基在4種浸沒深度（0.1m，0.2m，0.3m，0.4m）下提升力的大小，其模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同浸沒深度下的海床基吸附力

從模擬結(jié)果可以看出，海床基在海底浸沒深度越深，其本身受到的吸附力也越大。主要原因是由于負孔隙水壓力的存在，使海床基在被提升時，加在底質(zhì)上的載荷突然變小，水分來不及流入土體之中，加在土上的載荷由土架和孔隙水共同承擔，從而使提升力變大。隨著提升力的持續(xù)，底質(zhì)發(fā)生膨脹，水分逐漸流入底質(zhì)之中，負孔隙水壓力逐漸消失。因此在海床基回收時應(yīng)采取緩慢回收的方式，防止瞬時提升力過大而超出回收繩索自身的破壞力。

3.3 海床基的不同外形對提升力的影響

海床基的外形多樣，主要以圓形和多邊形為主，部分海床基為四邊形，多具有流線型的外觀。依據(jù)上述1800型抗拖網(wǎng)海床基模型的簡化準則，選取四邊形（底部尺寸1 800×1 800 mm）抗拖網(wǎng)海床基進行提升力模擬。分析條件設(shè)置與1800型抗拖網(wǎng)海床基相同，其分析模型及分析結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 四邊形海床基分析模型

圖9 兩種外形下的海床基提升力

從模擬結(jié)果可以看出，四邊形海床基提升力比圓形海床基提升力大，主要是由于四邊形海床基底部面積大于圓形海床基底部面積，使海床基與土體之間接觸粘聚力增大，孔隙水壓力亦比圓形海床基高。所以在海床基設(shè)計時盡量減少海床基與淤泥之間的接觸面積，能有效減小底質(zhì)對海床基的吸附力大小，提高海床基回收成功率。

4 結(jié)論

綜上所述，運用ANSYS軟件模擬海床基的提升力大小，進而得到海床基的最大吸附力，其與理論吸附力公式計算結(jié)果大致相同，這表明ANSYS在模擬海床基吸附力方面的可行性，并且ANSYS模擬結(jié)果可以直觀地反應(yīng)淤泥位移場的變化情況。同時根據(jù)不同浸沒深度及外形對海床基提升力的模擬，海床基在設(shè)計時要減少與淤泥的接觸面積，提升時要盡量減小海床基的提升速度。

另一方面，通過分析可以看出，ANSYS對海床基的吸附力模擬可以有效地避免實際吸附力研究中的外界干擾，并且具有可重復強、性價比高等優(yōu)勢，是吸附力研究的一種可靠途徑。

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Study on the Adsorption Forces of Seabed Platform on Muddy Seafloor Based on ANSYS

YU Kai-ben1,YANG Tao2,SHAN Ti-kun2,MENGQing-jian1,LIZheng-guang1
1.National Deep Sea Center,Qingdao 266200,Shandong Province,China; 2.College ofMechanical and Electrical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266100,Shandong Province,China

In order to solve the problem of the adsorption forces of seabed platform on muddy seafloor,this paper uses the ANSYS software and adopts contact analysis,three-dimensional 10 node solid element and the Drucker-Pragermodel to simulate the structure ofmuddy waters.Based on the analysis on the adsorption forces of seabed platform on muddy seafloor,the feasibility of ANSYS analysis for the adsorption forces of seabed platform is proved by comparison with the empirical formula.Under differentworking conditions,the adsorption forces of the seabed platform are simulated,which provides some guidance for the recovery and structural optimization of seabed platform.

ANSYS;seabed platform;Drucker-Pragermodel;adsorption forces

P715.5；TB12

A

1003-2029（2017）01-0058-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.011

2016-07-26

國家基金委—山東省聯(lián)合基金資助項目（U1606401）；泰山學者工程專項經(jīng)費資助項目（20161007）

于凱本（1977-），男，工學碩士，高級工程師，主要研究方向為海洋監(jiān)測技術(shù)。E-mail：yukb@ndsc.org.cn

楊濤，男，E-mail：kedayangtao@163.com