摘要
地球上约71%的面积是海洋，海洋中蕴藏着丰富的海洋资源，其中，油气等资源更是占到了地球总储量的30%以上。油气产业的兴起催生了海洋油气管道的建设，海底油气管道在油气运输方面得到了广泛应用。海底油气管道作用的发挥要以安全运行为前提。一旦发生损坏导致油气泄露，将对环境和经济造成不可挽回的损失。海底管道极易受到船锚抛锚等意外撞击的影响，为了保护管道免受坠物意外撞击的影响，通常对海底管道进行一定的埋深，因此，了解船舶的抛锚过程和船锚在海床的贯入深度，对于确定管道的安全埋深具有重要意义。 本文选取目前应用最广泛的霍尔锚模型，进行船锚入水和贯入土体的物理模型试验，利用有限元分析软件对船锚入水、贯入土体、锚-土-管道相互作用机理进行研究，探究了船锚在各阶段的运动情况和运动情况的影响因素。主要工作如下： 首先，模型试验阶段，分别对船锚入水和贯入土体进行模型试验，采用霍尔锚模型进行了入水模型试验，主要关注的是船锚入水后速度的变化，利用船锚在空气中的自由落体运动以不同的抛锚高度获得不同的入水初速度，试验发现船锚入水后一段时间速度会稳定在一个常数，这表明入水后的稳定速度与抛锚高度无关。设计了船锚贯入土体试验，利用姿态传感器记录了霍尔锚在贯入土体过程中的加速度、速度、位移、抛锚的旋转角度的变化，研究了不同抛锚高度和不同土质对贯入深度的影响。 其次，利用流体分析软件STAR-CCM+对船锚入水的运动过程进行了数值模拟，通过与模型试验的对比，验证了利用STAR-CCM+进行模拟船锚入水的可行性，同时，探究了船锚在不同入水初速度的条件下达到的稳定速度，结论与模型试验相同。另外，还设计了不同重量霍尔锚的入水模拟，得到稳定速度与船锚尺寸之间的线性比尺的关系。 最后，利用大型非线性有限元分析软件ABAQUS对船锚的贯入土体过程进行了详细的数值模拟研究，通过与物理模型试验的贯入深度对比验证了模拟的可行性。探究了不同因素对霍尔锚贯入深度影响程度的大小，通过贯入深度的拟合关系式，得到了贯入深度影响因素敏感性的大小。选取一典型重量霍尔锚，建立了锚-土-管道模型，通过改变管道的预埋深度确定管道的安全埋深，起到保护海底管道的作用。 本文研究可对船锚自备锚位置坠落的整个运动过程和管道的安全埋深提供一定的指导依据。
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