拖曳锚与安装缆绳相互作用力计算方法研究

深水系泊系统及其系泊基础的研发已成为国际海洋工程领域的前沿和关键课题,拖曳锚因其在承载力和深水安装中的诸多优势而具有良好的发展前景。在拖曳锚安装过程中,锚板与安装缆绳在系缆点处发生复杂的相互作用,分析二者之间的相互作用可等价为分析系缆点拖曳力的大小,研究拖曳锚与安装缆绳相互作用力的计算方法对认识锚板在海床土中的受力以及确定拖曳锚安装船的吨位具有重要指导意义。分别基于嵌入缆绳和拖曳锚在海床土中的力学模型,首次推导出适用于黏性土和无黏性土的系缆点拖曳力表达式,并开展模型试验验证,对比两类拖曳力计算方法的精度和稳定性,结果表明,两类计算方法均能合理预测系缆点拖曳力,但基于拖曳锚受力模型获得的表达式更为精确和稳定;通过参数考察,探究系缆点拖曳力预测模型中各参数的影响效应;经过与试验对比,给出关键参数的建议取值,该取值对研究结构与土体的相互作用问题具有重要参考价值。     

流动保障中管道的颗粒侵蚀分析

颗粒侵蚀是管道流动保障研究中的一个主要问题,是导致管壁变薄、管道破裂的重要原因,直接关乎油藏能否安全地输送到采油终端。阐述了影响管道颗粒侵蚀的诸多因素,指出API规范中存在的不足,对现有的颗粒侵蚀模型进行了综合评价,提出了一种解决颗粒侵蚀问题的数值方法。通过计算相关文献中实验工况的颗粒侵蚀结果,比较分析了经验模型和CFX软件在分析管道颗粒侵蚀问题中的优缺点和适用性。分析结果认为,Tulsa模型具有较高的计算精度与较广的适用范围,CFX软件可以比较准确地计算气雾流管道内的颗粒侵蚀结果。     

超深水混合缆绷紧式系泊系统非线性循环动力分析

由于高强聚乙烯(HMPE)和聚酯(polyester)缆绳具有各自独特的材料性能,因此提出在超深水绷紧式系泊系统中,采用高强聚乙烯和聚酯组成的混合缆作为系缆。以一系泊在超深水处的FPSO为例,系缆分别采用聚酯缆绳、高强聚乙烯缆绳以及混合缆。比较了循环载荷作用下,不同绷紧式系泊系统的动力响应。分析表明,在超深水中采用混合缆能够设计出合宜刚度的系泊系统,使系泊系统既有保持海洋浮式结构物在平衡位置的能力,又有风暴载荷下良好的生存能力。较理想的混合缆构型是:在靠近海底部分,采用高强聚乙烯缆绳;而在靠近海面部分,采用聚酯缆绳。这些认识对混合缆应用于超深水绷紧式系泊系统具有重要的参考价值。     

考虑饱和黏土初始各向异性的循环边界面塑性模型

天然土体的初始各向异性通常可对其后继循环特性产生显著影响。现有考虑循环载荷作用的土体弹塑性模型,往往采用类似修正剑桥模型的椭圆形屈服面,已有研究表明,该椭圆形屈服面因其拉伸弹性区域偏大,针对天然K0固结状态的土体,其计算精度较差。基于新近提出的广义各向同性硬化准则,在边界面方程中引入初始各向异性张量,并采用空间滑动面破坏准则（SMP）的变换应力法,建立了能考虑饱和黏土初始各向异性的循环边界面塑性模型。分别针对等压和偏压固结的饱和黏土静、动三轴试验进行模拟,结果表明,该模型能合理反映土体的初始各向异性及其后继循环动力特性。     

基于氡同位素示踪的洞庭湖区枯水期湖水与地下水交互作用研究

洞庭湖区水系发达,水文地质条件复杂,人类活动强烈,地表水和地下水的水力联系变化频繁,其研究的难度以及由此造成的研究不足影响了对湖区地下水赋存和运动规律的深入认识。本文以洞庭湖整体为研究对象,采用水位动态分析和氡(²²²Rn)同位素示踪法,定性和定量研究枯水期洞庭湖区地表水与地下水的交互作用关系与交互通量。枯水期洞庭湖区水位和氡浓度空间分布特征指示研究区内地下水向湖水排泄,尤以东洞庭湖最为显著。氡箱模型计算结果显示枯水期地下水排泄²²²Rn通量为455.09 Bq/(m²·d),占总输入²²²Rn通量的60.07%,地下水排泄总量为0.29×10⁸ m³/d,平均排泄速率为56.27 mm/d,地下水排泄对湖水的贡献率为7.04%。敏感性分析表明：风速、地下水和湖水²²²Rn浓度以及湖面面积等参数较为敏感,合理布置取样点并提高敏感参数测量准确度能提高模型计算结果的可靠度。氡同位素示踪法物理意义明确、操作过程简便,是研究复杂区域地下水补、...     

适用于砂土循环加载分析的边界面塑性模型

基于临界状态土力学框架,建立了一个适用于砂土排水循环加载的边界面塑性模型。采用了考虑虚拟峰值应力比的偏应变硬化准则,初始加载阶段应力点位于边界面上,反向加载阶段以历史最大屈服面作为边界面,同时实现了对密砂软化现象的模拟和对历史所受最大应力的记忆。边界面采用修正的椭圆形,引入考虑密度与应力水平的状态相关剪胀函数,采用非相关联流动法则和以应力反向点作为映射中心的径向映射准则。模型仅有10个参数,通过常规三轴试验即可确定,并且使用一套参数可以模拟不同围压、密度的单调和循环加载情况。分别对饱和砂土的单调、循环排水三轴试验进行模拟,结果表明,该模型能够合理地反映饱和砂土排水条件下的应力-应变特性。     

适用于饱和砂土循环动力分析边界面塑性模型的显式积分算法

基于适用于饱和砂土循环动力分析的边界面模型,利用修正广义Mises方法将其推广至三维应力空间中,引入与状态相关的剪胀函数,采用历史最大加载面硬化准则,以反映饱和砂土排水条件下刚度变化、剪胀剪缩等特性。结合子增量步显式积分算法的思想,建立了适用于饱和砂土循环动力分析边界面模型的显式积分算法流程。借助有限元软件子程序接口,将该算法流程开发到有限元软件中,通过建立土体单元数值模型,对Toyoura砂在单调荷载和循环荷载下的三轴试验工况进行模拟。结果表明,利用子增量步显式积分算法对模型进行积分,能够准确有效地模拟砂土的应力-应变曲线、以及砂土在单调和循环荷载作用下均展现的剪胀剪缩现象,验证了显式积分算法的有效性。通过设置不同的增量步长,验证了子增量步显式积分算法对于较小应变增量步的高度稳定性和收敛性。     

2000年以来东北地区城市化空间分异的时空演变分析

以东北地区34个地级市为研究对象,以四维一体为研究视角,综合构建了东北地区城市化测度指标体系,基于时序分析、面板分析以及空间分析等方法,分4个时期对2000年以来东北地区城市化空间分异的时空演变特征进行研究,结果表明：① 投资与消费是影响东北地区城市化发展的主要因素,其城市化兼有“自上而下”与“自下而上”双重性质;② 东北地区城市化尚处于低水平阶段,属于粗放式、低效益型的城市化发展模式;③ 东北地区城市化整体分异与子系统分异特征明显,2000~2008年阶段综合城市化水平由北向南递增,2008~2012年阶段则向南递减,与人口城市化具有一致性的变化特征。而经济城市化、社会城市化、空间城市化则逐年向南递增;④ 东北地区城市化水平东中西分异与沿海内陆分异特征显著,均具有时序性特点。基于研究成果,提出自然条件的基础作用、产业结构优化升级的内部驱动、交通条件的空间导向以及政策和体制的调控约束是东北地区城市化空间分异的整体机制,而东北地区南北城市化分异程度不断缩小主要由于区域发展阶段演进周期理论。     

法向承力锚极限抗拔力特性

法向承力锚是一种新型的适用于深海工程的系泊基础,其极限抗拔力是锚在工程应用中的关键指标。尝试用两种不同的方法评估法向承力锚的极限抗拔力,其一是基于塑性上限分析理论;其二是运用非线性有限元数值方法。与已有的经验公式相比,所建立的计算模型不仅可考虑海床土性质,还能反映锚板定位(嵌入深度及角度)以及系缆力角度对锚极限抗拔力的影响。在与已有评估方法进行比较的基础上,还特别对锚板的嵌入深度、角度以及系缆力角度变化对极限抗拔力的影响规律进行了分析,对三种方法的适用性进行了评述。