懸鏈錨泊線與海床接觸作用分析

周恩蓬 林孝彩

（1、天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院輪機(jī)工程系，天津300350 2、大連理工大學(xué)，遼寧 大連116024）

當(dāng)上部平臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，錨泊線與海床土接觸區(qū)域的錨鏈會(huì)隨之提升或下降。該作用過(guò)程應(yīng)力變化頻繁，并且在分析時(shí)需充分考慮海床參數(shù)不定性及非線性因素，使得觸地點(diǎn)成為錨泊線數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)分析的難點(diǎn)。針對(duì)該問(wèn)題的數(shù)值模擬方法，有頻域方法，如采用等效水平彈簧[1]或線性耦合彈簧[2]模擬錨泊線和海床接觸區(qū)域；有彈性基礎(chǔ)方法，如Gatti-Bono C.等[3]將海床視為阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)均為已知的彈性地基；另外還有提升著底法[4]等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用數(shù)值模擬的方法研究海床土作用，并依據(jù)自己的研究方法提出對(duì)應(yīng)的本構(gòu)模型。本文通過(guò)模擬錨泊線與海床接觸作用得到動(dòng)力響應(yīng)，采用三種海床本構(gòu)模型研究海床接觸區(qū)域的應(yīng)力，從而分析不同剛度海床模型對(duì)接觸應(yīng)力的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 參數(shù)設(shè)置

在本文中，錨泊線模型長(zhǎng)度取為1200m，直徑取為124mm；海床土體模型長(zhǎng)為1200m，寬為30m，高為10m。錨泊線材料類(lèi)型為線彈性，彈性模量為2.83e10Pa，密度為6841kg/m3，泊松比為0.3。采用三種海床本構(gòu)模型：剛性海床、彈性海床、及應(yīng)用雙線性等向強(qiáng)化材料（BISO）模型的彈塑性海床。其中剛性海床彈性模量為2.5e15Pa，彈性海床為2.5e7Pa，BISO 模型假定等向強(qiáng)化和各向同性硬化，在應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系曲線中，斜線段視為彈性部分，超出屈服點(diǎn)應(yīng)力部分為塑性部分，如圖1 所示。BISO 模型彈性模量為2.5e7Pa，即圖中曲線的初始斜率，泊松比為0.4，屈服載荷為3725N。

1.2 有限元模型

應(yīng)用ANSYS 進(jìn)行有限元模擬時(shí)，錨泊線采用LINK180 單元，土體采用PLANE182 單元。接觸對(duì)采用Targe169 和Conta175 單元，以點(diǎn)- 面接觸方式來(lái)模擬接觸關(guān)系，擴(kuò)增Lagrange 法作為接觸算法。在邊界條件設(shè)置上，固定錨泊線左端，右端設(shè)為自由端；固定海床土的底面及四周，頂面設(shè)為自由端。

圖1 土體本構(gòu)模型（BISO）

在建模時(shí)，先將錨泊線整體平鋪，如圖2（a）所示，使其與海床土為全接觸關(guān)系。然后在錨泊線右端點(diǎn)施加位移荷載模擬提升過(guò)程，計(jì)算得到頂端預(yù)張力，進(jìn)而調(diào)整頂點(diǎn)在水平方向的位置，由此得到如圖2（b）所示的錨泊線最終靜平衡位置。在對(duì)有限元模型網(wǎng)格密度和求解時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行精度分析后，最終確定觸地點(diǎn)區(qū)域海床網(wǎng)格密度為1m，求解時(shí)間步長(zhǎng)為5s。

圖2 有限元模型

2 動(dòng)力響應(yīng)分析

動(dòng)力響應(yīng)求解過(guò)程涉及多種非線性因素，因此錨泊線相關(guān)研究多采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行動(dòng)力分析。除了能夠模擬彈塑性變形、流體荷載、海床接觸作用等非線性因素外，該法同時(shí)也能考慮流體加速度和錨泊線阻尼的附加時(shí)變效應(yīng)。本文基于ANSYS 自帶的非線性模塊進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制方程中的非線性項(xiàng)逐一考慮，采用時(shí)域方法得到錨泊線的應(yīng)力時(shí)程曲線。

2.1 海況條件

對(duì)錨泊線進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，可以將波浪長(zhǎng)期作用視為若干個(gè)海況短期作用的疊加，各短期海況具有特定的特征參數(shù)，如波高、平均跨零周期等波浪譜參數(shù)及風(fēng)速和流速。根據(jù)某海域波浪散布圖[5]，選取典型海況進(jìn)行計(jì)算，其波高為3.25m，平均跨零周期為5.5s，風(fēng)速為11.93m/s，流速為0.344m/s。風(fēng)向角和浪向角選為45°，流向角選為90°, 波浪譜選用JONSWAP 譜，譜峰因子取2.0。

2.2 應(yīng)力時(shí)程曲線

在2.1 所述典型短期海況作用下，由AQWA 的水動(dòng)力計(jì)算模塊得到位移時(shí)程，并將其作為錨泊線頂端激勵(lì)，根據(jù)錨泊線的豎向位移對(duì)接觸點(diǎn)所在區(qū)域進(jìn)行判斷，根據(jù)各海況下接觸點(diǎn)所處區(qū)域的分布特點(diǎn)，將編號(hào)為138、125、119、94、85 的5 個(gè)節(jié)點(diǎn)（即圖3 中所示的A-E 點(diǎn)）作為研究對(duì)象進(jìn)行接觸分析。

依據(jù)上述方法，分別得到節(jié)點(diǎn)A-E 在各短期海況作用下的應(yīng)力時(shí)程曲線。限于篇幅，只在圖4 給出在典型海況下A 和E兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線，其中海床本構(gòu)模型分別采用剛性海床、彈性海床、彈塑性海床。

圖3 觸地點(diǎn)區(qū)域示意圖

圖4 典型海況下各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

3 結(jié)論

分別采用剛性海床、彈性海床、彈塑性海床三種本構(gòu)模型對(duì)接觸區(qū)域進(jìn)行模擬，計(jì)算得到10 個(gè)短期海況下接觸區(qū)域5 個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線，分析海床剛度與接觸應(yīng)力的相關(guān)性，結(jié)果表明：在不同海床本構(gòu)模型下，海床模型的剛度越大，錨泊線與海床接觸區(qū)域的應(yīng)力越大。今后可以選取其他不同的海床模型進(jìn)行進(jìn)一步分析，相關(guān)研究也可以拓展到張緊式錨泊系統(tǒng)。