DEM-FDM耦合分析海底管线抛石保护层抗锚害能力
发布时间：2022-01-04 12:13
海底管线抛石保护层的抗锚害能力涉及离散和连续两种不同尺度介质的相互作用。针对单独使用连续体法或离散元法分析的不足,以室内落锚实验为背景,采用有限差分法（FDM）模拟船锚和管线,采用离散单元法（Discrete Element Method,DEM）模拟抛石保护层,建立三者相互作用的耦合分析模型,并对该模型的船锚侵入位移和管线的侧壁承压进行了计算,证明该耦合方法合理可行。以500kV海南联网工程后续抛石保护工程为工程实例,通过DEM-FDM耦合计算定量得到了抛石保护层的抗锚害能力。结果表明,抛石保护层对管线抵抗船锚冲击有较好的保护作用,并且该作用是通过堆石体内部力链的形成、重组和稳定过程实现的。
【文章来源】：实验室研究与探索. 2020,39(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
有限差分、离散元耦合计算流程图
为了验证数值算法的正确性并评估误差，本文设计了落锚的室内缩尺实验，即将船锚起吊到不同高度并使之自由下落侵入抛石保护层，落锚位置在堆石体中间。实验过程中主要测量船锚侵入抛石保护层深度以及海缆表面的侧壁压力，并与理论值对比。为了研究不同落锚初始速度下抛石保护层的抗锚害能力，本文进行了不同高度下的落锚实验，实验工况的竖直高度分别取0～3 m，间隔0.5 m，为了降低实验过程中偶然误差的影响，同一落锚高度进行3次独立重复实验，实验结果取3次实验的平均值。落锚时先用细钢丝绳将船锚与吊车铁钩相连，然后将船锚起吊到相应高度，待船锚静止时，将钢丝绳剪断，这时船锚将自由落下侵入抛石保护层，待落锚完毕(测点压力值不再变化)时，测量船锚的最终侵入深度，并在PC终端上保存测点处的应力值，最后将船锚移开，重新堆积碎石到初始形状，准备下组实验。落锚实验如图2所示。其中，离散介质堆石体材料为粒径10～20 mm的碎石，颗粒形态以四面体为主，重度约为27 kN/m3，近似服从均匀分布。数值计算方法中，堆石体颗粒的颗粒刚度和摩擦系数并未给出，因此这里需要补充侧限压缩实验和直剪实验测量这两个参数[14]，通过实验可以测得实验用抛石颗粒的摩擦系数为0.46，刚度为2.87 GN/m。影响抛石保护层颗粒生成的因素很多，主要包括:颗粒级配曲线、颗粒边数、位置坐标等。依据每组颗粒尺寸的上界和下界，可以在此上下界区间均匀随机取值直到颗粒含量满足要求为止。本实验的堆石体设计成梯形截面:上底宽0.5 m，下底宽1 m，高0.5 m，堆石体纵向长2 m。根据以上方法就可以确定抛石保护层颗粒的含量、粒径和边数，再将颗粒在指定的区域内均匀随机投放直到符合要求为止，这样就得到了抛石保护层颗粒在PFC3D中的堆积模拟试样，如图3所示。
其中，离散介质堆石体材料为粒径10～20 mm的碎石，颗粒形态以四面体为主，重度约为27 kN/m3，近似服从均匀分布。数值计算方法中，堆石体颗粒的颗粒刚度和摩擦系数并未给出，因此这里需要补充侧限压缩实验和直剪实验测量这两个参数[14]，通过实验可以测得实验用抛石颗粒的摩擦系数为0.46，刚度为2.87 GN/m。影响抛石保护层颗粒生成的因素很多，主要包括:颗粒级配曲线、颗粒边数、位置坐标等。依据每组颗粒尺寸的上界和下界，可以在此上下界区间均匀随机取值直到颗粒含量满足要求为止。本实验的堆石体设计成梯形截面:上底宽0.5 m，下底宽1 m，高0.5 m，堆石体纵向长2 m。根据以上方法就可以确定抛石保护层颗粒的含量、粒径和边数，再将颗粒在指定的区域内均匀随机投放直到符合要求为止，这样就得到了抛石保护层颗粒在PFC3D中的堆积模拟试样，如图3所示。海底管线属于比较规则的连续体，可以直接在FLAC3D中建立有限差分模型，如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]500kV XLPE海底电缆绝缘及护套暂态电压仿真计算[J]. 周自强,刘学忠,王少华,朱承治,刘浩,宋春燕. 高电压技术. 2018(08)
[2]深水抛石管强度研究[J]. 曹雪,尹刚,崔小凡. 船舶工程. 2018(S1)
[3]散抛块石对海底电缆冲击力的计算分析[J]. 纪君娜,刘晓青,刘臻. 海岸工程. 2015(04)
[4]冲击荷载作用的离散-连续耦合数值模拟[J]. 贾敏才,陈纯,吴邵海. 水利学报. 2016(08)
[5]大型海上风电场集电系统拓扑结构优化与规划[J]. 符杨,吴靖,魏书荣. 电网技术. 2013(09)
[6]海底电缆抛石保护层抗锚害能力的数值仿真研究[J]. 李黎,程志远,王腾飞,胡海. 土木工程与管理学报. 2013(02)
[7]500kV海底电缆后续抛石保护工程建设[J]. 王裕霜. 电力建设. 2012(08)
[8]国内外海底电缆输电工程综述[J]. 王裕霜. 南方电网技术. 2012(02)
[9]500kV海底电缆浅滩铸铁套管保护实践与思考[J]. 王裕霜. 南方电网技术. 2011(02)
[10]落石管抛石技术的发展及在我国深水油气田开发中的应用前景[J]. 梁富浩,张印桐,刘春厚,庄亚锋,苗春生. 中国海上油气. 2011(02)
硕士论文
[1]海底电缆抛石保护层抗锚害能力分析[D]. 肖鹏.华中科技大学 2012
[2]土的颗粒力学理论及数值模拟[D]. 常在.清华大学 2008
本文编号：3568316
【文章来源】：实验室研究与探索. 2020,39(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
有限差分、离散元耦合计算流程图
为了验证数值算法的正确性并评估误差，本文设计了落锚的室内缩尺实验，即将船锚起吊到不同高度并使之自由下落侵入抛石保护层，落锚位置在堆石体中间。实验过程中主要测量船锚侵入抛石保护层深度以及海缆表面的侧壁压力，并与理论值对比。为了研究不同落锚初始速度下抛石保护层的抗锚害能力，本文进行了不同高度下的落锚实验，实验工况的竖直高度分别取0～3 m，间隔0.5 m，为了降低实验过程中偶然误差的影响，同一落锚高度进行3次独立重复实验，实验结果取3次实验的平均值。落锚时先用细钢丝绳将船锚与吊车铁钩相连，然后将船锚起吊到相应高度，待船锚静止时，将钢丝绳剪断，这时船锚将自由落下侵入抛石保护层，待落锚完毕(测点压力值不再变化)时，测量船锚的最终侵入深度，并在PC终端上保存测点处的应力值，最后将船锚移开，重新堆积碎石到初始形状，准备下组实验。落锚实验如图2所示。其中，离散介质堆石体材料为粒径10～20 mm的碎石，颗粒形态以四面体为主，重度约为27 kN/m3，近似服从均匀分布。数值计算方法中，堆石体颗粒的颗粒刚度和摩擦系数并未给出，因此这里需要补充侧限压缩实验和直剪实验测量这两个参数[14]，通过实验可以测得实验用抛石颗粒的摩擦系数为0.46，刚度为2.87 GN/m。影响抛石保护层颗粒生成的因素很多，主要包括:颗粒级配曲线、颗粒边数、位置坐标等。依据每组颗粒尺寸的上界和下界，可以在此上下界区间均匀随机取值直到颗粒含量满足要求为止。本实验的堆石体设计成梯形截面:上底宽0.5 m，下底宽1 m，高0.5 m，堆石体纵向长2 m。根据以上方法就可以确定抛石保护层颗粒的含量、粒径和边数，再将颗粒在指定的区域内均匀随机投放直到符合要求为止，这样就得到了抛石保护层颗粒在PFC3D中的堆积模拟试样，如图3所示。
其中，离散介质堆石体材料为粒径10～20 mm的碎石，颗粒形态以四面体为主，重度约为27 kN/m3，近似服从均匀分布。数值计算方法中，堆石体颗粒的颗粒刚度和摩擦系数并未给出，因此这里需要补充侧限压缩实验和直剪实验测量这两个参数[14]，通过实验可以测得实验用抛石颗粒的摩擦系数为0.46，刚度为2.87 GN/m。影响抛石保护层颗粒生成的因素很多，主要包括:颗粒级配曲线、颗粒边数、位置坐标等。依据每组颗粒尺寸的上界和下界，可以在此上下界区间均匀随机取值直到颗粒含量满足要求为止。本实验的堆石体设计成梯形截面:上底宽0.5 m，下底宽1 m，高0.5 m，堆石体纵向长2 m。根据以上方法就可以确定抛石保护层颗粒的含量、粒径和边数，再将颗粒在指定的区域内均匀随机投放直到符合要求为止，这样就得到了抛石保护层颗粒在PFC3D中的堆积模拟试样，如图3所示。海底管线属于比较规则的连续体，可以直接在FLAC3D中建立有限差分模型，如图4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]500kV XLPE海底电缆绝缘及护套暂态电压仿真计算[J]. 周自强,刘学忠,王少华,朱承治,刘浩,宋春燕. 高电压技术. 2018(08)
[2]深水抛石管强度研究[J]. 曹雪,尹刚,崔小凡. 船舶工程. 2018(S1)
[3]散抛块石对海底电缆冲击力的计算分析[J]. 纪君娜,刘晓青,刘臻. 海岸工程. 2015(04)
[4]冲击荷载作用的离散-连续耦合数值模拟[J]. 贾敏才,陈纯,吴邵海. 水利学报. 2016(08)
[5]大型海上风电场集电系统拓扑结构优化与规划[J]. 符杨,吴靖,魏书荣. 电网技术. 2013(09)
[6]海底电缆抛石保护层抗锚害能力的数值仿真研究[J]. 李黎,程志远,王腾飞,胡海. 土木工程与管理学报. 2013(02)
[7]500kV海底电缆后续抛石保护工程建设[J]. 王裕霜. 电力建设. 2012(08)
[8]国内外海底电缆输电工程综述[J]. 王裕霜. 南方电网技术. 2012(02)
[9]500kV海底电缆浅滩铸铁套管保护实践与思考[J]. 王裕霜. 南方电网技术. 2011(02)
[10]落石管抛石技术的发展及在我国深水油气田开发中的应用前景[J]. 梁富浩,张印桐,刘春厚,庄亚锋,苗春生. 中国海上油气. 2011(02)
硕士论文
[1]海底电缆抛石保护层抗锚害能力分析[D]. 肖鹏.华中科技大学 2012
[2]土的颗粒力学理论及数值模拟[D]. 常在.清华大学 2008
本文编号：3568316
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