王 磊，李軍營(yíng)，呂偉俊，魏 為，續(xù) 明，張其一

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

2.天津市精研工程機(jī)械傳動(dòng)有限公司，天津 300409

3.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266100

近年來(lái)，由于陸地資源的枯竭和海底油氣的大量發(fā)現(xiàn)，我國(guó)已非常重視海洋油氣田的開(kāi)發(fā)和利用。海底管道是海洋油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中輸送油氣資源的重要設(shè)施，由于受復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，海底管道極易受到損壞。為了避免海底管道受損，必須將其埋設(shè)到一定的深度[1]。目前，海底開(kāi)溝作業(yè)常用的挖溝方法大致有4種：機(jī)械開(kāi)溝法、高壓水射流噴沖法、機(jī)械和水噴沖結(jié)合法、海管自然沉降埋設(shè)法。在國(guó)外，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在海底挖溝技術(shù)方面的研究較早，積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)形成了系列化的開(kāi)溝機(jī)裝備，且主要技術(shù)由SMD、IHCEB、FET、Saipem-Sonsub、Nexans公司壟斷[2]。我國(guó)的海底挖溝技術(shù)起步較晚，且海底土壤介質(zhì)與強(qiáng)度、管徑與重量、挖溝方式和挖溝深度對(duì)挖溝機(jī)的選擇影響都很大[3]，所以，研制針對(duì)不同土壤的挖溝機(jī)勢(shì)在必行。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海床開(kāi)溝也進(jìn)行了大量研究。谷凡等人[4]對(duì)海流-管-土耦合機(jī)理和3D局部沖刷機(jī)理等做了分析和總結(jié)。錢忠東等人[5]（2011）采用了歐拉多相流模型，開(kāi)展了大量的沖刷研究。張樹(shù)森等人[6]對(duì)海底沖射式開(kāi)溝技術(shù)做了深入的研究與探討。顧磊等人[7]（2017）采用ALE方法計(jì)算了射流沖刷砂土和黏土的問(wèn)題。劉春光等人[8]對(duì)國(guó)外機(jī)械開(kāi)溝技術(shù)進(jìn)行了研究總結(jié)，該研究表明，除剪切強(qiáng)度外，土體的抗拉強(qiáng)度和液塑性質(zhì)也對(duì)挖溝機(jī)破土有影響。

本文主要是基于一種硬質(zhì)土壤鏈?zhǔn)酵跍蠙C(jī)，對(duì)挖溝機(jī)切削土體進(jìn)行研究。采用流固耦合非線性理論，利用CEL數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)水下鏈鏟式挖溝機(jī)開(kāi)溝過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)模擬計(jì)算，研究開(kāi)溝過(guò)程中鏈鏟對(duì)土體的切削作用與破土機(jī)理，給出工程上簡(jiǎn)潔、高效的切削荷載計(jì)算公式，給出開(kāi)溝過(guò)程中準(zhǔn)確的拖輪橫向拖曳力。

1 數(shù)值模型

1.1 歐拉-拉格朗日數(shù)值算法

傳統(tǒng)的拉格朗日分析法只適用于小變形的情況，如圖1（a）所示：計(jì)算過(guò)程中節(jié)點(diǎn)和材料已設(shè)定，在外荷載作用下網(wǎng)格單元會(huì)發(fā)生變形；當(dāng)荷載突變或量級(jí)較大時(shí)，單元網(wǎng)格將會(huì)發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算無(wú)法收斂。相對(duì)而言，如圖1（b）所示：采用歐拉-拉格朗日算法時(shí)，計(jì)算過(guò)程中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在空間中固定，物質(zhì)材料能夠在網(wǎng)格內(nèi)部流動(dòng)，即使材料發(fā)生過(guò)大扭曲，單元網(wǎng)格也不會(huì)發(fā)生變形，所以數(shù)值計(jì)算過(guò)程中具有較好的收斂性。非線性有限元軟件ABAQUS結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，采用了耦合的歐拉-拉格朗日（CEL）方法，可以通過(guò)分析歐拉材料的體積分?jǐn)?shù)（EVF）來(lái)跟蹤其流經(jīng)網(wǎng)格的情況，克服了傳統(tǒng)有限元分析方法在處理大變形問(wèn)題上的難題[9]。

圖1 拉格朗日法和歐拉法的變形分析

1.2 模型建立

鏈鏟式挖溝機(jī)有限元網(wǎng)格模型如圖2（a）所示，包括：前置鏈鏟切削裝置、中置小口徑水力切割裝置、后置大口徑噴沖裝置、尾部抽吸揚(yáng)泥臂。鏈鏟式挖溝機(jī)采用小變形的拉格朗日彈性材料模擬。

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，海床土體設(shè)定為歐拉體，如圖2（b）所示，采用大變形的歐拉材料模擬，土體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，土體參數(shù)如表1所示。在開(kāi)溝過(guò)程中，由于鏈鏟的機(jī)械切削作用，鏈鏟周圍土體會(huì)發(fā)生隆起與擴(kuò)散，故在海床土體頂部設(shè)置空隙層，以避免土體的邊界流出；土體模型寬度取14D（D為鏈鏟高度），土體模型長(zhǎng)度取20D，土體模型高度取6D。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，采用速度邊界條件對(duì)海床土體施加速度約束，在鏈鏟參考點(diǎn)上施加恒定的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)鏈鏟對(duì)土體的切削作用，歐拉材料與拉格朗日體之間的相互作用使用通用接觸對(duì)來(lái)定義。

圖2 鏈鏟式挖溝機(jī)有限元模型

表1 海床土體模型參數(shù)

1.3 模型驗(yàn)證

為了確保數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)有限元模型的網(wǎng)格類型與數(shù)量進(jìn)行對(duì)比試算，以及合理調(diào)整網(wǎng)格模型的邊界條件。多次調(diào)整單元類型、網(wǎng)格數(shù)量與密度，最終選擇了網(wǎng)格單元數(shù)目為2 482 578，單元類型為EC3D8R來(lái)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。試算過(guò)程如表2所示。

表2 有限元網(wǎng)格驗(yàn)證

2 數(shù)值計(jì)算

為了較為準(zhǔn)確地對(duì)鏈鏟切削過(guò)程進(jìn)行模擬，分析土體的變形規(guī)律與鏈鏟的切削阻力，本文采用圖3所示的鏈鏟模型進(jìn)行計(jì)算。

圖3 鏈鏟模型

圖3所示的4套鏈鏟中，圖3（a）為包含2個(gè)鈄齒的一組鏈鏟，數(shù)值計(jì)算過(guò)程中用于研究鈄齒不同切入深度情況下周圍土體的變形規(guī)律；圖3（b）包含七組鏈鏟，用于理論求解鏈鏟的切削荷載平均值；圖3（c）為一整套鏈鏟結(jié)構(gòu)，包含八組不同尺寸、不同布置形式、不同鈄齒間距的鏈鏟，該布置形式為鏈鏟式挖溝機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式，數(shù)值計(jì)算結(jié)果用于跟圖3（b）的理論結(jié)果進(jìn)行校核與比對(duì)；圖3（d）為鏈鏟挖溝機(jī)的實(shí)際模型，參見(jiàn)圖2（a），用于模擬海床土層的開(kāi)溝效果。

2.1 土體變形規(guī)律

在鏈鏟垂直切削作用下，海床土體產(chǎn)生局部切削，鏈鏟鈄齒周圍很小范圍的土體被鈄齒切削破碎，切削土層塑性應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

圖4 鏈鏟切削土層塑性應(yīng)變

圖4顯示鈄齒尖部切入土層時(shí)，鈄齒尖端直接與土體的相互作用，齒尖將前部土體切碎、剝離；同時(shí)，在齒尖的擠壓作用下，齒尖周圍土體發(fā)生擠壓大變形；距離齒尖距離越遠(yuǎn)，土體發(fā)生塑性變形的程度越弱，所以本文設(shè)計(jì)的鏈鏟結(jié)構(gòu)為變尺寸形式，參見(jiàn)圖3（c）。

為了進(jìn)一步研究齒尖入土深度對(duì)切削變形的影響，對(duì)不同切厚情況下的鏈鏟切削規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，鈄齒入土深度分別取為D1=10 mm、D2=60 mm、D3=90 mm，如圖5（a）所示。

由圖5（b）～（d）所示的鈄齒周圍土體變形規(guī)律可知：隨著鈄齒切入土層深度的增加，鈄齒周圍被破碎、切削的土體逐漸增多；當(dāng)鏈鏟整體被壓入土層時(shí)，鏈鏟前部土體被整體切削，切削土體尺寸（長(zhǎng)×寬×深）為361 mm×114 mm×90 mm，如圖5（d）所示；當(dāng)切削厚度為D2=60 mm時(shí)，整個(gè)鈄齒全部切入土層，同時(shí)連帶部分齒座的切削作用，如圖5（c）所示，導(dǎo)致鏈鏟兩側(cè)切削土體范圍與鈄齒尖端擠壓土體厚度都大于圖5（b）所示的工況。

圖5 不同切土厚度情況下土體變形規(guī)律

2.2 鏈鏟切削阻力

為了研究鏈鏟切削速度對(duì)切削阻力的影響規(guī)律，本文假定鏈鏟挖溝機(jī)以水平速度為30、60、100、180 m/h水平作業(yè)，對(duì)不同切削速度情況下的切削荷載進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

針對(duì)圖6給出的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，本文采用最小方差擬合法，給出了如下經(jīng)驗(yàn)公式，以方便實(shí)際工程采用。

圖6 挖溝機(jī)不同行進(jìn)速度下鈄鏟切削速度與切削荷載關(guān)系

式中：Vx為鏈鏟挖溝機(jī)水平行進(jìn)速度，m/s；Vy為鈄齒切削速度，m/s；L為鈄齒間距，按照設(shè)計(jì)圖紙取為0.228 8 m；Su為海床土體不排水抗剪強(qiáng)度，MPa；Fi表示鏈鏟切削荷載，kN。

為了驗(yàn)證式（1）的準(zhǔn)確性，圖7給出了該式與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比關(guān)系。

圖7 挖溝機(jī)不同行進(jìn)速度下切削阻力計(jì)算公式與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖7所示的對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文給出的鏈鏟切削阻力計(jì)算公式（1）能夠較好地與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合。

3 結(jié)論

本文基于歐拉-拉格朗日算法，對(duì)鏈鏟式機(jī)械挖溝機(jī)海床作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了鏈鏟開(kāi)溝過(guò)程中鈄齒周圍土體的變形規(guī)律，對(duì)土體切削阻力進(jìn)行了詳細(xì)求解，得出如下主要結(jié)論。

（1）鏈鏟式挖溝機(jī)作業(yè)過(guò)程中，鈄齒切入土層厚度越小，所需要的切削荷載越??；鏈鏟轉(zhuǎn)速越快，鈄齒豎直切削土體速度就越高，切削土層就越薄，所需要的切削荷載就越小。

（2）本文給出的鏈鏟切削阻力計(jì)算公式，能夠快速、準(zhǔn)確地預(yù)估鏈鏟切削阻力，能夠?yàn)楣こ虒?shí)際應(yīng)用提供參考。