于凱本，楊 濤，單體坤，孟慶健，李正光

（1.國(guó)家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266200；2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266100）

基于ANSYS的淤泥質(zhì)海底海床基吸附力研究

于凱本1，楊 濤2，單體坤2，孟慶健1，李正光1

（1.國(guó)家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266200；2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266100）

為了解決海床基在淤泥質(zhì)海底的吸附力問(wèn)題，利用ANSYS軟件，采用接觸分析、三維十節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元以及Drucker-Prager模型模擬淤泥結(jié)構(gòu)，分析了海床基在淤泥質(zhì)海底的吸附力大小，然后與經(jīng)驗(yàn)公式比較，證明了ANSYS對(duì)海床基吸附力分析的可行性；海床基在不同工況下的吸附力模擬對(duì)海床基的回收方式及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提供了一定的指導(dǎo)。

ANSYS；海床基；Drucker-Prager模型；吸附力

海床基作為一種坐底式海洋監(jiān)測(cè)裝置，以連續(xù)長(zhǎng)期測(cè)量、受海況影響小和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量及可靠性高等優(yōu)勢(shì)，正在海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。海床基與海底底質(zhì)之間的吸附力是影響海床基順利回收并獲得可靠觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要因素。淤泥質(zhì)海域?qū)ζ溆绊懹葹槊黠@。而我國(guó)又是淤泥質(zhì)海岸分布十分廣泛的國(guó)家，中國(guó)的渤海灣沿岸及江蘇中南部海岸是世界上最著名的淤泥質(zhì)海岸。我國(guó)淤泥質(zhì)海岸岸線總長(zhǎng)度在4 000 km以上，約占全國(guó)大陸海岸線的1/4[1]。面對(duì)分布廣闊的淤泥質(zhì)海岸線，海床基在布放和回收的過(guò)程中不可避免地要受到淤泥的影響，所以對(duì)海床基在淤泥質(zhì)海域中吸附力問(wèn)題的研究對(duì)提高海床基監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和保證海床基的順利回收具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)潛坐機(jī)構(gòu)的吸附力問(wèn)題進(jìn)行了一定的研究。張日向[2]等對(duì)海底結(jié)構(gòu)物的吸附力進(jìn)行了機(jī)理研究；馬駿[3]等考慮了結(jié)構(gòu)幾何特性和潛深等因素對(duì)太沙基承載公式進(jìn)行了修改，得到了吸附力的估算公式，并應(yīng)用于YOKE結(jié)構(gòu)物的吸附力計(jì)算。胡展銘[4]等對(duì)海床基在不同底質(zhì)類型下的吸附力進(jìn)行了分析。Sawicki[5]等人則通過(guò)數(shù)值方法對(duì)吸附力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。從以上研究可以看出，現(xiàn)階段對(duì)吸附力的研究主要運(yùn)用理論和試驗(yàn)兩種方式。由于海底沉積物復(fù)雜多樣,海底底質(zhì)主要有粘土、亞粘土、砂土、亞砂土、淤泥和砂土等不同類型。即使是單一的淤泥底質(zhì)，不同區(qū)域淤泥的組成也不相同。所以單一的理論公式不能很好地解決海底底質(zhì)類型對(duì)海床基的吸附力問(wèn)題。而吸附力試驗(yàn)又受海況等外部環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)的可靠性低，并且試驗(yàn)的難度較大，性價(jià)比較低。

為了降低吸附力研究的成本，擺脫傳統(tǒng)的吸附力分析方式，本文通過(guò)有限元分析軟件ANSYS，對(duì)海床基在淤泥質(zhì)海底的吸附力問(wèn)題進(jìn)行模擬分析，結(jié)合理論吸附力公式驗(yàn)證海床基吸附力模擬的可行性，并模擬海床基底座開孔數(shù)目與海床基吸附力的關(guān)系。以期為海床基吸附力的研究開辟一條捷徑。

1 吸附力公式的選取

為了驗(yàn)證ANSYS對(duì)海床基吸附力模擬的可行性，根據(jù)吸附力經(jīng)驗(yàn)公式，在斯肯普頓吸附力公式、太沙基吸附力公式和長(zhǎng)畸左治吸附力公式中選擇海床基吸附力模擬的基準(zhǔn)公式。

（1）斯肯普頓（Skempton）吸附力公式[6]：

根據(jù)斯肯普頓（Stempton）承載力公式推導(dǎo)出底質(zhì)對(duì)坐底結(jié)構(gòu)物的吸附力公式為：

式中：Ft為坐底結(jié)構(gòu)的吸附力；D為結(jié)構(gòu)物在底質(zhì)中的浸沒(méi)深度；B為結(jié)構(gòu)物的寬度；L為結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)度；A為結(jié)構(gòu)物與底質(zhì)的水平投影接觸面積；S為底質(zhì)的剪切強(qiáng)度。

（2）太沙基（Terzaghi K.）吸附力的修正公式[3]：

考慮浸沒(méi)深度以及結(jié)構(gòu)物自身等因素的影響，對(duì)太沙基承力公式進(jìn)行修正，得到了其吸附力公式：

式中：SR為結(jié)構(gòu)物與底質(zhì)的接觸面積；SP為結(jié)構(gòu)物在底質(zhì)中的投影面積；其余符號(hào)同上。

（3）長(zhǎng)畸左治吸附力公式[3]：

式中：H為結(jié)構(gòu)物地面下軟粘土的厚度；D為結(jié)構(gòu)物的直徑；S為軟粘土的抗剪強(qiáng)度。

綜合3種吸附力公式，長(zhǎng)畸左治吸附力公式考慮的是薄層軟粘土對(duì)吸附力的影響，不適合于本文的吸附力分析。斯肯普頓吸附力公式和太沙基吸附力公式類似，而太沙基是對(duì)斯肯普頓公式的修正，其考慮了浸沒(méi)深度以及結(jié)構(gòu)物自身等因素對(duì)吸附力的影響，準(zhǔn)確度更高，所以本文選擇太沙基公式作為吸附力的計(jì)算公式。

2 ANSYS計(jì)算模型的建立

2.1 海床基模型及土體邊界的確定

海床基模型選取國(guó)家深?；毓芾碇行难兄频?800型抗拖網(wǎng)海床基，其底座直徑為1 800mm，高度為500mm。為了模擬淤泥的無(wú)限空間結(jié)構(gòu)，取淤泥模型在水平方向上的尺寸為海床基底面尺寸的5倍，在豎直方向上取淤泥尺寸大于海床基總高度的3倍[7]。所以，綜合上述分析，取淤泥模型長(zhǎng)度和寬度均為9 000 mm，高度取2 000mm。

2.2 計(jì)算模型的簡(jiǎn)化及參數(shù)確定

1800 型抗拖網(wǎng)海床基的重量分布如表1所示。

表1 1800型抗拖網(wǎng)海床基質(zhì)量分布表

由表1可以看出，1800型抗拖網(wǎng)海床基由多個(gè)部件組成。并且海床基外形是影響其吸附力的主要因素，浮體艙、浮體以及其他部件由于不與淤泥直接接觸，其對(duì)吸附力的影響只是表現(xiàn)在重量上，與內(nèi)部零件形態(tài)無(wú)關(guān)。所以在建模時(shí)為了便于網(wǎng)格劃分和簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)計(jì)算工作量，避免由于小面等因素對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的影響。將海床基簡(jiǎn)化為實(shí)體部件，并且根據(jù)海床基外觀尺寸建立海床基的等比例實(shí)體模型，根據(jù)海床基的體積和質(zhì)量確定結(jié)構(gòu)模型的密度（圖1）。海床基的簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖1 海床基原模型

圖2 海床基簡(jiǎn)化模型

由渤海沉積物調(diào)查資料[8]可以得到淤泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 渤海海域淤泥的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 淤泥分析模型設(shè)置

Ducker-Prager是ANSYS進(jìn)行巖土類分析的專用模型，可用于模擬受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度且受剪切時(shí)會(huì)膨脹的土體材料。

ANSYS中設(shè)定D-P模型需要輸入3個(gè)參數(shù)來(lái)描述土體模型，即粘聚力c，內(nèi)摩擦角Φ，剪脹角ψ。Ducker-Prager準(zhǔn)則是Mohr-Coulomb（摩爾庫(kù)倫）準(zhǔn)則的近似，其等效應(yīng)力可以表示為：

式中：σe為修正的等效應(yīng)力；σm為靜水壓力；β為材料參數(shù)；{S}為偏差應(yīng)力；[M]為Mise屈服準(zhǔn)則總的M值；C為材料模型的粘聚力；Φ為材料的內(nèi)摩擦角；土體模型中粘聚力c及內(nèi)摩擦角Φ可以依據(jù)表2中數(shù)值進(jìn)行設(shè)定。D-P模型中還需要輸入土體材料的剪脹角ψ，其控制土體中將要發(fā)生膨脹的數(shù)量，其參數(shù)的設(shè)定依據(jù)圖3進(jìn)行說(shuō)明。在子午線上畫出屈服面，“P”表示靜水壓，“q”表示修正等效應(yīng)力，如圖3所示：

圖3 剪脹角與內(nèi)摩擦角關(guān)系

當(dāng)ψ=Φ時(shí)，則土體的流動(dòng)準(zhǔn)則為相關(guān)流動(dòng)準(zhǔn)則，此時(shí)土體將發(fā)生明顯的體積膨脹；當(dāng)ψ<Φ時(shí)，土體的流動(dòng)準(zhǔn)則為非關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，此時(shí)土體發(fā)生較小的體積膨脹；當(dāng)ψ=0時(shí)，則土體不發(fā)生膨脹(塑性流動(dòng)與屈服面垂直)，通常這是一種更加保守的途徑，所以本文模擬中選擇土體內(nèi)摩擦角為0。

2.4 接觸面的設(shè)置

ANSYS中模型的接觸分為兩種基本類型：剛體-柔體的接觸、柔體-柔體的接觸。本文中海床基與淤泥的接觸屬于兩種基本類型中的剛體-柔體接觸，并且為面面接觸。ANSYS中在涉及兩個(gè)面接觸時(shí)，要將一個(gè)邊界作為“目標(biāo)”面，而把另一個(gè)面作為“接觸”面。對(duì)于剛體-柔體接觸來(lái)說(shuō)，目標(biāo)面總是剛性面，接觸面總是柔性面，目標(biāo)面與接觸面組成接觸對(duì)。

所以在本文中海床基模型面為“目標(biāo)”面，選擇Target170單元，淤泥模型面為“接觸”面，選擇Conta174單元。由于“Augmented Lagrange Method”算法較其他接觸算法不易引起病態(tài)條件并且對(duì)接觸剛度矩陣的靈敏度影響較小，所以本次模擬采用“Augmented Lagrange Method”算法。

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS模擬海床基在不同提升力作用下的位移情況，從而確定海床基在淤泥質(zhì)海域的吸附力大小，將模擬結(jié)果與吸附力公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，判斷ANSYS對(duì)海床基吸附力模擬的可行性；分析海床基在提升力作用下周圍淤泥的位移場(chǎng)分布狀況；模擬不同工況下海床基的吸附力大小。

3.1 海床基吸附力計(jì)算

由式（2）可知，太沙基計(jì)算公式中存在結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)度和寬度參數(shù)，而海床基底座結(jié)構(gòu)為圓形，所以本文在海床基吸附力計(jì)算時(shí)假定其長(zhǎng)度和寬度相等，得到海床基的吸附力近似為76.98 kN。

通過(guò)ANSYS模擬海床基在淤泥浸沒(méi)深度為0.2m時(shí)不同提升力的作用下的位移曲線，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同提升力下海床基位移曲線

從圖4可以看出，海床基在70 kN左右的提升力作用下發(fā)生突變，說(shuō)明在淤泥結(jié)構(gòu)在提升力作用下發(fā)生破壞，海床基與淤泥開始逐漸分離，此時(shí)狀態(tài)下的海床基的提升力就可以看作是海床基的極限提升力。由此可以看出海床基計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果誤差較小，分析可行。

模擬結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果存在差別，主要原因有以下幾點(diǎn)：（1）本文中運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)海床基吸附力進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用近似方法，與實(shí)際存在誤差；（2）在ANSYS分析中假定淤泥為理想彈塑體，實(shí)際中淤泥的破壞分為彈性變形和拉伸破壞兩部分，ANSYS的理想彈塑性假設(shè)使模擬結(jié)果存在誤差。（3）不同海域的淤泥物理力學(xué)性能也有差別，理論公式?jīng)]有考慮淤泥物理性能的影響，這也是造成誤差的一個(gè)方面。

3.2 海床基位移場(chǎng)分析

選取某一提升力作用下淤泥位移等值線云圖和矢量云圖如圖5～圖6所示。

圖5 淤泥位移等值線圖

圖6 淤泥位移矢量圖

從圖5可以看出，海床基在提升力的作用下，淤泥的位移量由海床基中心向外次減小，最外圍淤泥的位移基本為零，說(shuō)明所選擇的淤泥的邊界合適。從圖5中還可以看出，淤泥的位移由中心逐漸向兩邊減小，與海床基接觸處位移最大。從圖6淤泥位移的矢量圖可以直觀地看出淤泥結(jié)構(gòu)在海床基作用下的運(yùn)動(dòng)方向，淤泥的位移并不是豎直向上的，而是傾斜向外，這說(shuō)明淤泥在自身粘聚力的作用下位移，由中心向四周擴(kuò)散，淤泥的位移主要是由海床基底面與淤泥之間的相互作用產(chǎn)生的。

3.3 海床基浸沒(méi)深度對(duì)吸附力的影響

當(dāng)海床基投放至海底進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，由于海床基自重和環(huán)境中泥沙沉降等因素的影響，海床基會(huì)被淤泥等底質(zhì)部分浸沒(méi)，所以在吸附力分析中要充分考慮海床基在海底中不同浸沒(méi)深度下的影響。本文模擬了海床基在4種浸沒(méi)深度（0.1m，0.2m，0.3m，0.4m）下提升力的大小，其模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同浸沒(méi)深度下的海床基吸附力

從模擬結(jié)果可以看出，海床基在海底浸沒(méi)深度越深，其本身受到的吸附力也越大。主要原因是由于負(fù)孔隙水壓力的存在，使海床基在被提升時(shí)，加在底質(zhì)上的載荷突然變小，水分來(lái)不及流入土體之中，加在土上的載荷由土架和孔隙水共同承擔(dān)，從而使提升力變大。隨著提升力的持續(xù)，底質(zhì)發(fā)生膨脹，水分逐漸流入底質(zhì)之中，負(fù)孔隙水壓力逐漸消失。因此在海床基回收時(shí)應(yīng)采取緩慢回收的方式，防止瞬時(shí)提升力過(guò)大而超出回收繩索自身的破壞力。

3.3 海床基的不同外形對(duì)提升力的影響

海床基的外形多樣，主要以圓形和多邊形為主，部分海床基為四邊形，多具有流線型的外觀。依據(jù)上述1800型抗拖網(wǎng)海床基模型的簡(jiǎn)化準(zhǔn)則，選取四邊形（底部尺寸1 800×1 800 mm）抗拖網(wǎng)海床基進(jìn)行提升力模擬。分析條件設(shè)置與1800型抗拖網(wǎng)海床基相同，其分析模型及分析結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 四邊形海床基分析模型

圖9 兩種外形下的海床基提升力

從模擬結(jié)果可以看出，四邊形海床基提升力比圓形海床基提升力大，主要是由于四邊形海床基底部面積大于圓形海床基底部面積，使海床基與土體之間接觸粘聚力增大，孔隙水壓力亦比圓形海床基高。所以在海床基設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少海床基與淤泥之間的接觸面積，能有效減小底質(zhì)對(duì)海床基的吸附力大小，提高海床基回收成功率。

4 結(jié)論

綜上所述，運(yùn)用ANSYS軟件模擬海床基的提升力大小，進(jìn)而得到海床基的最大吸附力，其與理論吸附力公式計(jì)算結(jié)果大致相同，這表明ANSYS在模擬海床基吸附力方面的可行性，并且ANSYS模擬結(jié)果可以直觀地反應(yīng)淤泥位移場(chǎng)的變化情況。同時(shí)根據(jù)不同浸沒(méi)深度及外形對(duì)海床基提升力的模擬，海床基在設(shè)計(jì)時(shí)要減少與淤泥的接觸面積，提升時(shí)要盡量減小海床基的提升速度。

另一方面，通過(guò)分析可以看出，ANSYS對(duì)海床基的吸附力模擬可以有效地避免實(shí)際吸附力研究中的外界干擾，并且具有可重復(fù)強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，是吸附力研究的一種可靠途徑。

[1]牛小靜.波浪與泥質(zhì)海床的相互作用[D]．北京：清華大學(xué)，2008．

[2]張日向，郭承侃，王惟誠(chéng)，等.JZ9-3沉箱就位安裝防沉及沖刷技術(shù)研究之WHPE和SLPW沉箱吸附力試驗(yàn)研究報(bào)告[R]．大連:：大連理工大學(xué)土建學(xué)院，1998．

[3]馬駿，楊公升，李濤.潛坐結(jié)構(gòu)吸附力計(jì)算模型研究[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2007(2)：16-19．

[4]胡展銘，陳偉斌，胡波，等.自平衡抗吸附海床基的吸附力研究分析[J].海洋技術(shù)，2012，31(2)：14-17．

[5]SawickiA，Mierczynski J.Mechanicsof the BreakoutPhenomenon[J].Computersand Geotechnics，2003，30：231-243．

[6]金廣泉，金濤，等．底質(zhì)對(duì)潛坐結(jié)構(gòu)吸附力的試驗(yàn)研究[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1988，84（3）：49-53．

[7]杜杰，丁紅巖，劉建輝，等.筒型基礎(chǔ)有限元分析的土體邊界選取研究[J].海洋技術(shù)，2005，24(2)：109-112．

[8]秦蘊(yùn)珊，徐善民，李凡，等.渤海西部海底沉積物土工學(xué)性質(zhì)的研究[J].海洋與湖沼，1983，14(4)：305-314．

Study on the Adsorption Forces of Seabed Platform on Muddy Seafloor Based on ANSYS

YU Kai-ben1,YANG Tao2,SHAN Ti-kun2,MENGQing-jian1,LIZheng-guang1
1.National Deep Sea Center,Qingdao 266200,Shandong Province,China; 2.College ofMechanical and Electrical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266100,Shandong Province,China

In order to solve the problem of the adsorption forces of seabed platform on muddy seafloor,this paper uses the ANSYS software and adopts contact analysis,three-dimensional 10 node solid element and the Drucker-Pragermodel to simulate the structure ofmuddy waters.Based on the analysis on the adsorption forces of seabed platform on muddy seafloor,the feasibility of ANSYS analysis for the adsorption forces of seabed platform is proved by comparison with the empirical formula.Under differentworking conditions,the adsorption forces of the seabed platform are simulated,which provides some guidance for the recovery and structural optimization of seabed platform.

ANSYS;seabed platform;Drucker-Pragermodel;adsorption forces

P715.5；TB12

A

1003-2029（2017）01-0058-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.011

2016-07-26

國(guó)家基金委—山東省聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（U1606401）；泰山學(xué)者工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（20161007）

于凱本（1977-），男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟊O(jiān)測(cè)技術(shù)。E-mail：yukb@ndsc.org.cn

楊濤，男，E-mail：kedayangtao@163.com