海底管道与土壤的耦合作用

发布时间：2020-10-14 02:38

　　 海底管道与土壤的相互作用是海底管道设计中的关键问题之一。本文通过大型通用有限元计算软件ABAQUS程序,土体的本构模型(应力应变关系)分别采用非线性弹性模型、多孔弹性模型、弹塑性模型,对管土系统进行有限元分析,获得每种本构模型各个方向的阻力位移曲线,并应用阻力位移曲线计算在自重和环境载荷作用下单跨管道的应力分布和位移分布的算例。 由于管道与土体是两种不同的材料,要考虑接触面的影响,根据软件中所规定的建立接触面的方法建立管道与海床这一接触对。 1、本文用Fortran语言编写了土壤本构非线性弹性模型程序,并嵌入ABAQUS对海底管道进行静态计算与分析。由计算结果得到了海底管道在土壤中的各个方向的阻力位移曲线,根据各个方向的阻力位移曲线得到了土壤相应方向的非线性弹性刚度系数。此外,本文以海底单跨管道为例,用上述的弹性刚度系数的弹簧模拟非线性土壤,将其作为单跨管道的边界条件,计算了单跨管道在自重和环境载荷作用下的应力分布与其位移变化。 2、流—固—土耦合的试验表明,渗流在管土系统中起着重要的作用,因此土壤的本构关系可采用多孔弹性模型来模拟。本文编写了土壤孔隙比随深度变化的子程序,借助ABAQUS计算得到了管道在土壤中的各个方向的阻力位移曲线,由阻力位移关系曲线得到了土壤多孔弹性模型的弹簧刚度。运用该土壤模型模拟单跨管道在自重和环境载荷作用下与土壤接触的边界条件,计算分析了单跨管道的应力分布及其位移关系。 3、土壤的变形既包括弹性变形又包括塑性变形。本文由土壤的弹塑性模型计算得到了土壤各方向的刚度系数,同样以海底单跨管道为例,由弹簧模拟管道与土壤接触的边界条件,考察了管道的应力分布情况和位移变化关系。 最后,本文对三种土壤模型的阻力位移曲线的计算结果进行了比较与分析,同时本文的计算结果还与ALA规范计算结果进行了比较,研究结果表明三种土壤阻力位移曲线变化趋势明显不同,但多孔模型与规范最为接近,可以为海底管线的设计提供理论依据。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：P756.2
【部分图文】：

模型尺寸图

图2.3土壤边界条件力贯入法:在管道上直接施加压力，使管道向下直接贯入某一距离，但贯入的距离小且不易预先确定。此种计算相当于将管道的荷载加至使土壤破坏。因假定土体为非性材料，如果施加载荷过大可能会导致计算异常，计算不能完成，而加荷太小又不生需要的力与位移关系曲线，故要通过试算确定合理的下压力。本文的目的是为了获得海底管道下降深度与抗力的关系曲线，而为了确保管道不发横向位移，所以管道的边界条件限制X方向运动，并且要是管道不绕着Z轴旋转，以限制绕Z轴转角为O。管道的边界条件如下图图2.4管道边界条件图

并且要是管道不绕着Z轴旋转，所以限制绕Z轴转角为O。管道的边界条件如下图图2.4管道边界条件图2.4.3主从面选择下图中管道红色边界为主面，土壤红色截面为从属面，接触选择为面面接触。。摩擦定义如下:法向接触采用“硬接触”形式，土壤的剪切摩擦系数选择为0.4，在外荷载的作用下，施加外力使管道穿入土层，不允许管道表面与相邻土层分离，此时管道仍然与土壤之间接触，接触压力仍然存在。
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 赵冬岩;海底管道稳定性分析综述[J];中国海上油气.工程;1998年05期

2 章根德,顾小芸;有限厚度砂床对波浪载荷的响应[J];力学学报;1993年01期

本文编号：2840058