原创《如何通过有限元数值仿真预防船舶抛锚对水下管线的损害》
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摘 要：在水下管道中,穿越航道的那一部分管道面临的风险主要来源于过往该航道的船舶主动或被动的抛锚.一旦管道发生破损、泄露,将对经济造成难以估量的损失,对环境的破坏更是无法想象.因此,水下管道抗锚害分析己成为一个亟待解决的重要课题.建立“河底基床-管道-锚-水-空气”和“河底基床-管道-锚-水-空气-锚链-船舶”三维流固耦合和固体侵切有限元计算模型,对船舶抛锚、拖锚、撞击和侵切对水下管道的损伤行为进行数值仿真；根据锚害分析,研究管道的防护措施,并分析和研究水下管道防护措施的有效性和可靠性,可为水下管道抗锚害设计提供依据和参考.
关键词：水下管道 抗锚害 抛石防护 有限元数值仿真研究
1.船舶抛锚对水下管道的损害分析
锚害主要包括落锚的直接冲击和拖锚的侵切破坏,包括锚与水、锚与土、锚与管道、管道与土体的相互作用.落锚过程中,锚在重力、浮力和河水阻力的作用下下落,最终与河底发生碰撞,并与河底基床产生冲击和侵切；拖锚过程中,锚与河底基床发生侵切,有可能穿过回填土,钩、刺管道,造成伤害.
（1）落锚撞击
落锚撞击破坏力与锚的速度有关,而锚速又与水深和水体阻力有关,在小深不太大时,锚的重力大于锚的浮力、阻力之和,处于加速阶段,此时,水深越大,锚的碰撞速度越大,破坏力越大；当水深很大时,锚的速度增加到一定程度时,水的阻力进一步增大,水的阻力、浮力与重力达到平衡状态,锚的速度达到最大值.因此,评估落锚时的最大破坏力采取最大水深.
（2）拖锚航行
当船舶主动或被动抛锚时,落锚首先在河床上贯穿一定的垂直距离,贯穿深度取决于锚的重量、形状、水深及土壤的特性.在贯穿过程中主动力主要包括锚的重力,阻力包括作用在锚下端的土壤承载力和侧面的土壤摩擦力.拖锚时,锚力和锚的运动轨迹主要处决于土的抗剪强度.拖锚计算时,先计算锚贯入土壤深度,再计算在该贯入深度下拖锚时锚的运动轨迹,通过锚钩与管道的最小距离来评估管道在拖锚工况下的安全性.
研究管道在拖锚工况下的安全性,需计算拖锚情况下锚最低的运动轨迹.锚的运动轨迹,与水位、锚链长度和土壤特性有关,当土壤特性确定时,水位越低,锚链越长,锚抬升的角度越小,抬升的速度越慢,锚的运动轨迹越低；反之,水位越高,锚链越短,锚抬升的角度越大,抬升的速度越快,锚的运动轨迹越高.因此,拖锚计算时,取最低通航水位.
2.锚害的数值仿真模型建立
目前,在国内外对于水下管道锚害损伤的数值模拟研究中,主要采用物理模型和数学计算.
物理模型按一定的相似准则,建立相应比例的物理实验模型研究锚害.该法比较直观,但由于锚与水的相互作用十分复杂,特别是水的阻力过程,难以用单一的相似准则来模拟,相应的实验材料也以找到；土体的侵切行为更加复杂,与土体的性状、锚的形状密切相关,很难找到满足比尺实验的材料,即便找到了,代价也十分巨大和昂贵,且精度有限.
数学计算目前主要弹簧法和有限元法.弹簧法弹簧法只能模拟弹簧所处位置处的变形情况,而无法对接触力方向的变化进行模拟,无法考虑到锚与水的作用,无法计算锚在土体内的侵切行为,也无法反映锚与管道的碰撞过程,计算精度十分有限.目前,国内外运用有限元法计算锚害的研究主要集中于计算锚与管道的碰撞和接触行为,而对于锚与水的流固耦合过程、锚与管道接触前的状态及接触过程与土体侵切的数值过程仿真还极少.
锚害是流固耦合、固体侵切的大位移、大变形和大应变的几何非性性、材料非线性和接触非线性动力响应过程,计算十分复杂.目前国内外相关的数值研究较少,本文在搜集国内外相关数值计算方法和理论的基础上,对大型数值计算平台进行二次开发,编写计算插件,运用拉格朗日法和欧拉法相结合的方法,建立“河底基床-管道-锚-水-空气”和“河底基床-管道-锚-水-空气-锚链-船舶”三维流固耦合和固体侵切有限元计算模型,对船舶抛锚、拖锚、撞击和侵切对水下管道的损伤行为进行数值仿真,考虑材料非线性、几何非线性及接触界面非线性等因素对水下管道结构损伤变形的影响,也考虑了不同土壤特性、撞击速度、锚自身形状、尺寸、重力和管道埋设深度对管道撞击塑性变形的影响,分析和研究了锚与空气、锚与水、锚与土壤、锚与管道、锚与锚链的相互作用,求解了管道在锚害中的应力和变形.
锚在水中受到浮力、重力外,还受到水体阻力,水体阻力与锚运动速度和流场状态有关,水体阻力由单元流固耦合进行时程计算.锚体贯入河底基床及侵切土体时,河底基床土体发生大应变,如采用拉格朗日网格,网络随质点移动,网格大变形时,计算将产生奇点,求解无法进行,这是计算的难点和重点.由于欧拉网格固定,质点可以网络内流动.为解决土体的大应变和侵切的计算,本文模型引入拉格朗日方法的同时,也引入欧拉网格,彼此之间既互相独立又相互联系,使整个模型既保留拉格朗日法的高效,又有效解决了大变形计算问题.拉格朗日方法和欧拉法的相互耦合,为土体的大应变和锚土侵切计算提供了新的思路.
根据管道的河底地质层空间分布、水深和锚特征等,等比例建立三维有限元计算模型.落锚分析时,建立“河底基床-管道-锚-水-空气”三维有限元计算模型.拖锚侵切分析时,建立“河底基床-管道-锚-水-空气-锚链-船舶”三维有限元计算模型.
3.锚害防护措施的数值仿真分析
水下管道顶部仅回填开挖土时,落锚冲击下,锚会贯穿管顶回填土,与管道发生碰撞,并会引起混凝土配重层的破坏和钢管局部的凹陷变形；拖锚航行时,锚钩存在钩挂水下管道的可能；为了防止水下管道被落锚冲击变形,防止管道不被拖锚钩挂,须对水下管道采取工程措施加以保护.目前国内水下管道多采用在顶部抛设碎石层和块石层进行防护,抛石厚度直接关系到工程投资和对管道的防护效果,因此,抛石厚度的选择是防护设计的重点.水下管道工程防护设计时可预设多组抛石厚度组合,运用数值仿真技术分别验算其对锚害的防护效果,从其中选取落锚时管道与锚不发生接触,且不被落锚冲击变形,拖锚航行时不被锚钩钩挂的抛石防护方案.
4.结语
综上所述,在建立等比例的物理实验模型研究锚害代价巨大、昂贵且精度有限的情况下,通过建立“河底基床-管道-锚-水-空气-船舶”三维流固耦合和固体侵切有限元计算模型,对船舶抛锚、拖锚、撞击和侵切对水下管道的损伤行为进行数值仿真,求解了管道在锚害中的应力和变形,为锚害的设计与防护提供技术依据和参考,在实际工程中具有良好的应用效果.
参考文献：
[1]JTJ311-97,广东省沿河航道通航标准[S].广州:广东省标准化研究院,2014.
[2]GB/T 546-2016,霍尔锚[S].北京:中国标准出版社,2016.
[3]李庆,马坤明,王凤莲,等.穿越航道的河底管道保护设计抗锚害分析研究[J].中国造船,2013(A01):54-56.
有限元论文参考资料：
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