基于CEL方法的冰-土-管耦合作用模型研究

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海底管道作为极地海洋油气开发的重要外输装备,冰凿击现象已经成为北极开发中危害海底管道的最大因素之一。为确保极地海底管道运行期间的安全性,必须对极地特殊环境下管道的冰凿击损伤影响进行评估。本文针对冰凿击引起海床土体大变形对管道的力学响应,选用基于耦合欧拉拉格朗日(CEL)方法的土体大变形模拟方法,建立了冰凿击海床的三维模型。使用均质软黏土分析了冰凿击的沟槽形成过程,并对影响数值结果的关键因素进行了分析和选择。结果表明,数值模拟中欧拉域网格尺寸影响较大,并选择了合适的冰龙骨加载速度和土体本构模型。通过与离心实验结果及PRISE工程模型进行比较,验证了CEL方法对于模拟冰凿击过程中土体大变形机理的可行性。研究了影响土体变形的关键因素,结果表明,冰凿击宽度对垂直土体位移有一定影响,PRISE土体位移经验公式对水平土体变形预测偏大。当攻击角度增大时,土体变形程度及扰动深度明显减小,土体变形随着土体强度的增加而减小。进一步说明了PRISE工程模型对于预测土体变形的局限性。基于上述冰凿击海床CEL方法有限元模型,进一步开发了冰凿击海底管道的冰-土-管耦合模型。研究了冰凿击条件下管道的变形机理及变形过程,说明由于土壤的绕流作用,导致管道的变形轨迹呈现一个循环路径。在冰凿击过程中,管道的位移、应力和应变先增大后减小。通过将所开发的耦合模型和当前工程实践中的非耦合模型进行对比,说明了非耦合模型中的计算误差以及当前CEL耦合模型的优越性。详细讨论了冰凿击所导致的管道应变分布及主要因素影响规律,结果表明,凿深、凿宽的增加会增大管道轴向应变。攻击角度、管道埋深、管壁厚的增加会使得管道轴向应变减小。土体强度对于管道应变的影响规律呈现非线性。管道外径的增加会导致管道轴向应变增大,但具体变化趋势取决于管道埋深。采用基于应变的管道设计准则,结合所建立的CEL耦合模型,给出了极地冰凿击区域海底管道的设计安全评价流程,并做案例说明了当前CEL模型的现实应用。论文探索了冰凿击引起的管土间复杂的非线性相互作用机理及管道应变模式,揭示其中蕴藏的复杂、丰富的力学内容,具有重要的理论价值。对极地海底管道安全服役具有重要工程意义,符合我国极地油气开发的重大战略需求。
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