基于CEL法的埋深海底管道受坠物撞击损伤分析

海底管道一旦受到坠物撞击损伤,会造成严重的环境污染及经济损失,为保证管道在运行期间的安全性,常对其进行埋深处理。对于有埋深的海底管道,坠物的撞击会造成管道上覆土体的大变形,在数值模拟中会导致网格畸变,甚至无法收敛。耦合欧拉-拉格朗日法(CEL法)可有效处理土体大变形问题,本文基于此方法建立了坠物-管道-土体有限元模型,分析了坠物撞击速度、质量、形状、海床土体性质(弹性模量、内摩擦角、黏聚力)、埋深对海底管道塑性变形的影响。结果表明,管道的凹痕深度随坠物撞击速度和质量的增加而增加;坠物与海床土体及管道接触面积越小,管道的凹痕深度越大;管道的埋置深度及海床土体的性质对吸收坠物的撞击能量有直接关系:海床土体的强度越高、埋深越大,管道所受到的损伤程度越小。分析结果可为管道的设计与防护工作提供科学依据,且与现行规范比较,本文方法更加经济、合理。     

坠物撞击海底悬空管道数值模拟研究

为研究坠物对海底悬空管道的撞击损伤规律,基于非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立考虑管土相互作用的坠物撞击悬空管道数值模型。经过数值模拟,探究了撞击能量、土体性质和悬空长度等对海底管道受坠物撞击后凹陷损伤的影响。研究表明,撞击能量是影响海底悬空管道损伤程度的主要因素,在同样的撞击能量下,海底悬空管道的悬空段长度对管道的凹陷损伤影响不大,但管道弹性变形以及海床的土体变形会有差异,虽然海床土体变形会吸收大量的撞击能量,但改变土体性质同样对管道损伤结果影响不大。研究结果可以为海底管道的工程设计提供一定的参考。     

基于LS-DYNA海底悬空管道受坠物碰撞动力响应分析

基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,采用非线性动力有限元法,对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。通过大量的数值模拟得出:相同坠落物能量的情况下,悬空管道的凹陷损伤深度与裸露管道的相比偏小,且随着坠落物能量的增加,其差值增大;随着坠落物速度、坠落物质量的增大,管道撞击部位凹陷变形加剧,海底管道悬空段的最大振动幅值增大;相同坠落物能量的情况下,坠落物与悬空管道的接触面积越小,悬空管道的损伤深度越大;海床土体参数(剪切弹性模量、内摩擦角、密度)的变化对悬空管道的凹陷损伤深度及悬空段的最大振动幅值的影响较小。     

基于LS-DYNA海底悬空管道受坠物碰撞动力响应分析（英文）

基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,采用非线性动力有限元法,对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。通过大量的数值模拟得出:相同坠落物能量的情况下,悬空管道的凹陷损伤深度与裸露管道的相比偏小,且随着坠落物能量的增加,其差值增大;随着坠落物速度、坠落物质量的增大,管道撞击部位凹陷变形加剧,海底管道悬空段的最大振动幅值增大;相同坠落物能量的情况下,坠落物与悬空管道的接触面积越小,悬空管道的损伤深度越大;海床土体参数(剪切弹性模量、内摩擦角、密度)的变化对悬空管道的凹陷损伤深度及悬空段的最大振动幅值的影响较小。     

海底悬空管道受坠物撞击凹陷损伤研究

基于非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立海底悬空管道受坠物撞击的三维模型,考虑接触、摩擦和管土耦合作用,模拟海底悬空管道受坠物撞击的动态响应过程。通过大量的数值模拟,对比分析撞击能量、撞击角度以及坠物与管道间的摩擦对海底悬空管道受撞击部位凹陷损伤的影响。结果表明:管道受撞击部位的凹陷损伤随撞击能量的增大而变大;坠物撞击角度越大,管道受撞击部位的凹陷损伤越大;坠物与管道之间的摩擦使管道受撞击部位凹陷损伤略微增大,但影响很小。     

坠物碰撞下海底管道凹陷及损伤区域数值模拟研究

基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件显示动力分析,采用非线性动态有限元法,对海底管道受坠物碰撞的动态过程进行数值模拟,对比分析坠物质量、坠物形状、轴向预加荷载因素对海底管道在撞击作用下凹陷及损伤区域的影响。结果表明:海底管道受撞击部位的凹陷及损伤区域随着坠物能量的增加而增大;坠物形状因素由于碰撞发生时接触面不同对管道凹陷及损伤区域造成不同的影响;海底管道内压的存在一定程度上抵抗了碰撞造成的局部塑性损伤变形;轴向受拉对海底管道损伤方面的影响很小可忽略不计;适当增加轴向压力可提升海底管道抗碰撞冲击能力而过大的轴向压力会加剧管道破坏。     

坠物撞击管道实验装置设计与实验研究

针对船舶抛锚或海洋平台坠物对海底管线的撞击会对管道造成一定的危害,本文设计了坠物撞击管道的实验装置,并对实验装置进行了优化分析,在此基础上提出了可行的实验方案。通过ANSYS有限元软件对该实验装置进行了静力分析,确定了最终的装置结构形式,并开展了坠物与管道的撞击实验。该装置在实验条件下最大变形不足1mm,可满足实验要求。实验证明,随着撞击能量的增加,管道的损伤程度明显增大。本次实验研究结果为分析坠物对管道的撞击作用提供了研究基础。     

随机波作用下海底管道振动对土体液化的影响

海底管道-土体-水体相互作用对土体和管道的稳定性具有重要影响，但波浪作用下海底管道对其周围土体性质的影响仍有待深入研究。通过一系列室内波浪水槽试验，研究了波浪荷载和管道振动作用下海床土体内部的超孔隙水压力响应。实验结果表明，管道的铺设会增大海底土体超孔隙水压力累积程度，当管道发生振动时，海床土体超孔隙水压力累积程度进一步增大，从而增加了土体液化势。此外，波高增加也会导致海床土体的超孔隙水压力累积程度增大。本文研究成果对管道-土体相互作用研究和海底管道维护具有指导意义。     

海底管道受坠物锚击损伤试验与数值模拟研究

为探索海底管道在锚击作用下的损伤规律,通过海底管道损伤试验和数值模拟,研究了坠物质量、坠落高度和坠物形状对海底管道机械损伤的影响,并结合试验结果修正了Ellinas-Wallker公式。研究结果表明:管道的凹陷损伤随坠物质量和坠落高度的增大而变大;在相同质量的立方体、球体和模型锚三种形状坠物作用下,球体坠物对管道的损伤最严重;EllinasWallker公式计算结果偏于保守,修正后计算结果与试验和数值模拟结果吻合良好。研究结果可以为海底管道的工程设计及应用提供一定的参考。     

海底滑坡作用下滩海管道结构安全分析

海底滑坡作为常见的海洋地质灾害,对海洋油气工程安全产生巨大威胁。海床土体失稳引起滑坡体滑动,会对海底管道产生拖曳作用。基于计算流体动力学方法(CFD)建立海底滑坡体对管道作用的评估模型,采用H-B模型描述块状滑坡体并与试验比较验证,分析不同海床倾斜度滑坡对管道的作用并拟合表达式;研究了海底管道在滑坡作用下的力学响应,并采用极限状态方法开展海底滑坡作用下管道结构极限安全分析,探讨了管道埋地状态时的极限安全界限,建立滑坡作用下管道结构安全分析方法。研究表明:滑坡对管道作用力与海床倾角呈现正相关,而覆土层厚度对作用力影响较小;随着不排水抗剪强度的减小,允许的滑坡宽度和速度均增加,表明土体不排水抗剪强度与引起的拖曳力呈正相关;滑坡土体宽度对极限安全速度影响较大。     

海底管道遭受船锚撞击的风险分析

坠锚事故容易对海底管道造成撞击损伤,引起环境污染及经济损失。为保证管道在运行期间的安全,有必要对其进行风险分析。基于可靠度理论,在DNV规范(DNV-RP-F107)推荐方法的基础上,本文提出了一种失效概率的计算方法,该方法可考虑船锚质量、尺寸及管道尺寸、材料强度等因素对失效概率的影响,与实际情况更相符。结合工程实例,对船锚撞击作用下的海底管道进行了风险分析。考虑随机变量的变异性,探讨了管道失效概率对各变量的敏感性。分析结果可为降低海底管道损伤风险及采取合理的防护措施提供技术参考。     

钢悬链线立管触地点区域管土相互作用的有限元分析

由于钢悬链线立管具有非线性特性,而海床土体又是软黏土,因此钢悬链线立管触地区域的管土的相互作用十分复杂。根据国外相关试验数据,采用ANSYS中的非线性弹簧单元模拟海床土体,考虑海床土体刚度退化和土吸力对管道的作用,建立海底管道拟静力有限元计算模型,计算分析管道与海床土体的相互作用,并探讨管道触地点区域关键点在顶端升沉运动下弯矩的变化规律,为进一步研究SCR与海床的动力相互作用提供参考。     

Spoiler自埋技术特点及其在杭州湾海底管道运行情况分析

海底管道阻流板(Spoiler)自沉埋技术是一种新型管道自埋技术,为深入了解其作用机制及其效果,本文通过分析安装有阻流板的杭州湾海底管道历年检测资料,结合管道附近海域海床、潮流动力特性,深入探讨了阻流板装置在实际工程中的运行效果,分析了其作用机制及其适用条件。研究发现安装阻流板装置的杭州湾海底管道在往复潮流作用下逐渐埋入海床,其埋入段长度由2005年的50%增加到2013年的80%以上,而且平均埋入深度超过2.6 m,自埋效果较好;而在管道路由与海流平行段或管道敷设于抗冲刷强海床上时,阻流板作用不能有效发挥,管道仍然呈现裸露状态。     

钢悬链线立管与海床土体接触问题的ANSYS有限元分析

钢悬链线立管(SCR)与海床土体的接触问题对立管的疲劳寿命影响很大.运用ANSYS有限元软件中的接触单元模拟SCR与海床接触处的相互作用,考虑海床土体的非线性,建立SCR与海床系统有限元模型,并同已有的等价梁-弹簧模型进行了比较和验证.运用该模型进行计算分析,探讨了管道重量、土体模型和摩擦系数等对管道入土深度和弯矩的影响,为进一步研究SCR与海床的相互作用提供参考.     

抛锚撞击水下管汇的数值模拟研究

船舶抛锚撞击水下管汇会影响到管汇的正常作业,基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,建立锚-水下管汇-海床土体的三维有限元模型,对抛锚碰撞水下管汇的过程进行数值仿真。通过求解水下管汇受碰撞后的等效应力、应变的时间历程及受撞击部位的凹陷损伤深度,发现最大等效应力点出现在管汇与锚接触位置处,管汇的碰撞部位最终发生凹痕变形。同时讨论锚与管汇接触面的形状以及海床土体对水下管汇损伤程度的影响,当冲击能量相同时,锚与水下管汇的碰撞接触面积越小,水下管汇的损伤深度就越大;当锚与管汇接触的接触面积相同时,冲击能量越大,水下管汇的损伤变形越大。海床土体的剪切弹性模量对管汇的凹陷损伤深度以及最大等效应力影响与冲击能量有关,海床土体的内摩擦角对管汇的碰撞影响较小。     

基于数值模拟的海底管道抛锚撞击机械损伤及其防护措施研究

采用三维非线性动态有限元方法对抛锚撞击海底管道进行模拟。建立霍尔锚模型,考虑管土相互作用,研究不同撞击能量下抛锚撞击管道的机械损伤(最大凹陷)变化规律。对不同防护措施的防护效果进行探讨,包括埋深、混凝土配重层、加大径厚比等措施。数值模拟结果与试验结果进行对比,两者结果吻合较好。结果表明:当锚与管道接触面积越小时,锚对管道的撞击凹陷越大;加大埋深对抛锚撞击管道有很好防护的作用;管道内压对抛锚撞击管道有一定的抵抗作用;混凝土配重层对防护抛锚撞击管道的防护作用不明显;增加管道壁厚是防护抛锚撞击管道的有效措施之一,也应考虑经济性。本文研究结果为实际工程中降低抛锚撞击管道机械损伤后果提供参考。     

CEL法与ALE法在海底管土作用数值仿真中的应用

针对海底管道与海床相互作用有限元仿真中普通拉格朗日单元因大变形而畸变的问题,需要选用更合适的仿真方法。本文首先分别采用针对网格大变形问题发展出来的任意拉格朗日欧拉(ALE)法以及欧拉-拉格朗日耦合(CEL)法建立有限元模型,借助模型试验数据验证数值仿真方法的合理性,并通过网格无关性分析,确定了ALE法与CEL法适合的单元尺寸。然后分别利用拉格朗日法、ALE法以及CEL法计算了海底管道垂向与侧向土体反力,通过对比分析得出各种方法在研究海底管土作用时的优、缺点。最后进行了管土作用试验,发现CEL法能够较好地反映管土作用中的速度放大效应。     

块石和混凝土排垫保护下海底管道落锚撞击变形响应研究

以往的海底管道落锚撞击防护数值模拟主要为单一保护层模型,这里则针对块石+混凝土排垫复合方案建立模型并开展防护性能研究。基于ABAQUS建立有限元数值模型,模拟了落锚、海底管道、海床土体、块石层和混凝土排垫组成的复杂系统相互作用,研究了管道壁厚、内压,落锚质量和撞击速度等因素对管道应变极值和管体凹陷变形的影响。与单纯块石层保护方案相比,采用的块石+混凝土排垫方案具有更优良的防护效果。研究结果表明：在撞击点处,管道的轴向应变和环向应变均达到最大值,且随着与撞击点距离的增加沿管道轴向逐渐减小;撞击结束后,管道上仍然残留一定的塑性应变。随着管道壁厚的增加,管道的最大应变和凹陷深度也随之减小;随着内压的增加,管道上最大拉伸应变变大,而最大压缩应变和凹陷深度减小。随着落锚速度或者质量的增加,管道上最大应变和凹痕深度均变大;在相同动能情况下,管道上的最大应变和凹陷值基本相同,也表明落锚动能是影响管道变形响应的控制因素。本文研究成果可为海底管道防护方案设计提供科学依据。     

落物撞击作用下海底管道风险评估

海洋平台吊机起吊货物频繁,落物事故偶有发生,对平台附近的海底管道造成危害。在DNV推荐方法的基础上,改进了碰撞概率的计算方法。运用概率统计的方法以及失效概率理论编制Matlab程序,充分考虑各因素不确定性基础上,对落物撞击作用下海底管道进行了风险评估及敏感性分析。为减少落物对海底管线的损伤,及如何配置合理的防护措施提供了科学依据。     

波浪作用下粉质土海床液化界面波压力的研究

波浪作用下粉质土海床的液化是影响海上平台、海底管线等海洋构筑物安全的灾害之一。在进行构筑物设计中应考虑海床液化的深度问题,而液化土体对下部海床的界面波压力是计算海床孔隙水压力增长以及液化深度的重要参量。本文基于波致粉土海床自上而下的渐进液化模式,利用双层流体波动理论,推导了考虑海床土体黏性的海床界面波压力表达式,并与不考虑黏性时的界面波压力进行了比较分析。结果表明,计算液化后土体界面波压力时,是否考虑液化土体的黏性对结果影响较大,进而可能影响粉质土海床液化深度的确定。