基于ANSYS的淤泥质海底海床基吸附力研究

于凯本，杨 涛，单体坤，孟庆健，李正光

（1.国家深海基地管理中心，山东 青岛 266200；2.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266100）

基于ANSYS的淤泥质海底海床基吸附力研究

于凯本1，杨 涛2，单体坤2，孟庆健1，李正光1

（1.国家深海基地管理中心，山东 青岛 266200；2.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266100）

为了解决海床基在淤泥质海底的吸附力问题，利用ANSYS软件，采用接触分析、三维十节点实体单元以及Drucker-Prager模型模拟淤泥结构，分析了海床基在淤泥质海底的吸附力大小，然后与经验公式比较，证明了ANSYS对海床基吸附力分析的可行性；海床基在不同工况下的吸附力模拟对海床基的回收方式及结构优化等方面提供了一定的指导。

ANSYS；海床基；Drucker-Prager模型；吸附力

海床基作为一种坐底式海洋监测装置，以连续长期测量、受海况影响小和监测数据质量及可靠性高等优势，正在海洋监测技术领域发挥着越来越重要的作用。海床基与海底底质之间的吸附力是影响海床基顺利回收并获得可靠观测数据的主要因素。淤泥质海域对其影响尤为明显。而我国又是淤泥质海岸分布十分广泛的国家，中国的渤海湾沿岸及江苏中南部海岸是世界上最著名的淤泥质海岸。我国淤泥质海岸岸线总长度在4 000 km以上，约占全国大陆海岸线的1/4[1]。面对分布广阔的淤泥质海岸线，海床基在布放和回收的过程中不可避免地要受到淤泥的影响，所以对海床基在淤泥质海域中吸附力问题的研究对提高海床基监测数据的质量和保证海床基的顺利回收具有重要意义。

目前，国内外学者对潜坐机构的吸附力问题进行了一定的研究。张日向[2]等对海底结构物的吸附力进行了机理研究；马骏[3]等考虑了结构几何特性和潜深等因素对太沙基承载公式进行了修改，得到了吸附力的估算公式，并应用于YOKE结构物的吸附力计算。胡展铭[4]等对海床基在不同底质类型下的吸附力进行了分析。Sawicki[5]等人则通过数值方法对吸附力产生机理进行了研究。从以上研究可以看出，现阶段对吸附力的研究主要运用理论和试验两种方式。由于海底沉积物复杂多样,海底底质主要有粘土、亚粘土、砂土、亚砂土、淤泥和砂土等不同类型。即使是单一的淤泥底质，不同区域淤泥的组成也不相同。所以单一的理论公式不能很好地解决海底底质类型对海床基的吸附力问题。而吸附力试验又受海况等外部环境的影响，数据的可靠性低，并且试验的难度较大，性价比较低。

为了降低吸附力研究的成本，摆脱传统的吸附力分析方式，本文通过有限元分析软件ANSYS，对海床基在淤泥质海底的吸附力问题进行模拟分析，结合理论吸附力公式验证海床基吸附力模拟的可行性，并模拟海床基底座开孔数目与海床基吸附力的关系。以期为海床基吸附力的研究开辟一条捷径。

1 吸附力公式的选取

为了验证ANSYS对海床基吸附力模拟的可行性，根据吸附力经验公式，在斯肯普顿吸附力公式、太沙基吸附力公式和长畸左治吸附力公式中选择海床基吸附力模拟的基准公式。

（1）斯肯普顿（Skempton）吸附力公式[6]：

根据斯肯普顿（Stempton）承载力公式推导出底质对坐底结构物的吸附力公式为：

式中：Ft为坐底结构的吸附力；D为结构物在底质中的浸没深度；B为结构物的宽度；L为结构物的长度；A为结构物与底质的水平投影接触面积；S为底质的剪切强度。

（2）太沙基（Terzaghi K.）吸附力的修正公式[3]：

考虑浸没深度以及结构物自身等因素的影响，对太沙基承力公式进行修正，得到了其吸附力公式：

式中：SR为结构物与底质的接触面积；SP为结构物在底质中的投影面积；其余符号同上。

（3）长畸左治吸附力公式[3]：

式中：H为结构物地面下软粘土的厚度；D为结构物的直径；S为软粘土的抗剪强度。

综合3种吸附力公式，长畸左治吸附力公式考虑的是薄层软粘土对吸附力的影响，不适合于本文的吸附力分析。斯肯普顿吸附力公式和太沙基吸附力公式类似，而太沙基是对斯肯普顿公式的修正，其考虑了浸没深度以及结构物自身等因素对吸附力的影响，准确度更高，所以本文选择太沙基公式作为吸附力的计算公式。

2 ANSYS计算模型的建立

2.1 海床基模型及土体边界的确定

海床基模型选取国家深海基地管理中心研制的1800型抗拖网海床基，其底座直径为1 800mm，高度为500mm。为了模拟淤泥的无限空间结构，取淤泥模型在水平方向上的尺寸为海床基底面尺寸的5倍，在竖直方向上取淤泥尺寸大于海床基总高度的3倍[7]。所以，综合上述分析，取淤泥模型长度和宽度均为9 000 mm，高度取2 000mm。

2.2 计算模型的简化及参数确定

1800 型抗拖网海床基的重量分布如表1所示。

表1 1800型抗拖网海床基质量分布表

由表1可以看出，1800型抗拖网海床基由多个部件组成。并且海床基外形是影响其吸附力的主要因素，浮体舱、浮体以及其他部件由于不与淤泥直接接触，其对吸附力的影响只是表现在重量上，与内部零件形态无关。所以在建模时为了便于网格划分和简化计算机计算工作量，避免由于小面等因素对网格质量的影响。将海床基简化为实体部件，并且根据海床基外观尺寸建立海床基的等比例实体模型，根据海床基的体积和质量确定结构模型的密度（图1）。海床基的简化模型如图2所示。

图1 海床基原模型

图2 海床基简化模型

由渤海沉积物调查资料[8]可以得到淤泥的物理力学性能指标，具体参数如表2所示。

表2 渤海海域淤泥的物理力学参数

2.3 淤泥分析模型设置

Ducker-Prager是ANSYS进行岩土类分析的专用模型，可用于模拟受压屈服强度远大于受拉屈服强度且受剪切时会膨胀的土体材料。

ANSYS中设定D-P模型需要输入3个参数来描述土体模型，即粘聚力c，内摩擦角Φ，剪胀角ψ。Ducker-Prager准则是Mohr-Coulomb（摩尔库伦）准则的近似，其等效应力可以表示为：

式中：σe为修正的等效应力；σm为静水压力；β为材料参数；{S}为偏差应力；[M]为Mise屈服准则总的M值；C为材料模型的粘聚力；Φ为材料的内摩擦角；土体模型中粘聚力c及内摩擦角Φ可以依据表2中数值进行设定。D-P模型中还需要输入土体材料的剪胀角ψ，其控制土体中将要发生膨胀的数量，其参数的设定依据图3进行说明。在子午线上画出屈服面，“P”表示静水压，“q”表示修正等效应力，如图3所示：

图3 剪胀角与内摩擦角关系

当ψ=Φ时，则土体的流动准则为相关流动准则，此时土体将发生明显的体积膨胀；当ψ<Φ时，土体的流动准则为非关联准则，此时土体发生较小的体积膨胀；当ψ=0时，则土体不发生膨胀(塑性流动与屈服面垂直)，通常这是一种更加保守的途径，所以本文模拟中选择土体内摩擦角为0。

2.4 接触面的设置

ANSYS中模型的接触分为两种基本类型：刚体-柔体的接触、柔体-柔体的接触。本文中海床基与淤泥的接触属于两种基本类型中的刚体-柔体接触，并且为面面接触。ANSYS中在涉及两个面接触时，要将一个边界作为“目标”面，而把另一个面作为“接触”面。对于刚体-柔体接触来说，目标面总是刚性面，接触面总是柔性面，目标面与接触面组成接触对。

所以在本文中海床基模型面为“目标”面，选择Target170单元，淤泥模型面为“接触”面，选择Conta174单元。由于“Augmented Lagrange Method”算法较其他接触算法不易引起病态条件并且对接触刚度矩阵的灵敏度影响较小，所以本次模拟采用“Augmented Lagrange Method”算法。

3 模拟结果分析

通过ANSYS模拟海床基在不同提升力作用下的位移情况，从而确定海床基在淤泥质海域的吸附力大小，将模拟结果与吸附力公式计算结果进行比较，判断ANSYS对海床基吸附力模拟的可行性；分析海床基在提升力作用下周围淤泥的位移场分布状况；模拟不同工况下海床基的吸附力大小。

3.1 海床基吸附力计算

由式（2）可知，太沙基计算公式中存在结构物的长度和宽度参数，而海床基底座结构为圆形，所以本文在海床基吸附力计算时假定其长度和宽度相等，得到海床基的吸附力近似为76.98 kN。

通过ANSYS模拟海床基在淤泥浸没深度为0.2m时不同提升力的作用下的位移曲线，其结果如图4所示。

图4 不同提升力下海床基位移曲线

从图4可以看出，海床基在70 kN左右的提升力作用下发生突变，说明在淤泥结构在提升力作用下发生破坏，海床基与淤泥开始逐渐分离，此时状态下的海床基的提升力就可以看作是海床基的极限提升力。由此可以看出海床基计算结果与模拟结果误差较小，分析可行。

模拟结果与公式计算结果存在差别，主要原因有以下几点：（1）本文中运用经验公式对海床基吸附力进行计算时采用近似方法，与实际存在误差；（2）在ANSYS分析中假定淤泥为理想弹塑体，实际中淤泥的破坏分为弹性变形和拉伸破坏两部分，ANSYS的理想弹塑性假设使模拟结果存在误差。（3）不同海域的淤泥物理力学性能也有差别，理论公式没有考虑淤泥物理性能的影响，这也是造成误差的一个方面。

3.2 海床基位移场分析

选取某一提升力作用下淤泥位移等值线云图和矢量云图如图5～图6所示。

图5 淤泥位移等值线图

图6 淤泥位移矢量图

从图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减小，最外围淤泥的位移基本为零，说明所选择的淤泥的边界合适。从图5中还可以看出，淤泥的位移由中心逐渐向两边减小，与海床基接触处位移最大。从图6淤泥位移的矢量图可以直观地看出淤泥结构在海床基作用下的运动方向，淤泥的位移并不是竖直向上的，而是倾斜向外，这说明淤泥在自身粘聚力的作用下位移，由中心向四周扩散，淤泥的位移主要是由海床基底面与淤泥之间的相互作用产生的。

3.3 海床基浸没深度对吸附力的影响

当海床基投放至海底进行海洋环境监测时，由于海床基自重和环境中泥沙沉降等因素的影响，海床基会被淤泥等底质部分浸没，所以在吸附力分析中要充分考虑海床基在海底中不同浸没深度下的影响。本文模拟了海床基在4种浸没深度（0.1m，0.2m，0.3m，0.4m）下提升力的大小，其模拟结果如图7所示。

图7 不同浸没深度下的海床基吸附力

从模拟结果可以看出，海床基在海底浸没深度越深，其本身受到的吸附力也越大。主要原因是由于负孔隙水压力的存在，使海床基在被提升时，加在底质上的载荷突然变小，水分来不及流入土体之中，加在土上的载荷由土架和孔隙水共同承担，从而使提升力变大。随着提升力的持续，底质发生膨胀，水分逐渐流入底质之中，负孔隙水压力逐渐消失。因此在海床基回收时应采取缓慢回收的方式，防止瞬时提升力过大而超出回收绳索自身的破坏力。

3.3 海床基的不同外形对提升力的影响

海床基的外形多样，主要以圆形和多边形为主，部分海床基为四边形，多具有流线型的外观。依据上述1800型抗拖网海床基模型的简化准则，选取四边形（底部尺寸1 800×1 800 mm）抗拖网海床基进行提升力模拟。分析条件设置与1800型抗拖网海床基相同，其分析模型及分析结果如图8～图9所示。

图8 四边形海床基分析模型

图9 两种外形下的海床基提升力

从模拟结果可以看出，四边形海床基提升力比圆形海床基提升力大，主要是由于四边形海床基底部面积大于圆形海床基底部面积，使海床基与土体之间接触粘聚力增大，孔隙水压力亦比圆形海床基高。所以在海床基设计时尽量减少海床基与淤泥之间的接触面积，能有效减小底质对海床基的吸附力大小，提高海床基回收成功率。

4 结论

综上所述，运用ANSYS软件模拟海床基的提升力大小，进而得到海床基的最大吸附力，其与理论吸附力公式计算结果大致相同，这表明ANSYS在模拟海床基吸附力方面的可行性，并且ANSYS模拟结果可以直观地反应淤泥位移场的变化情况。同时根据不同浸没深度及外形对海床基提升力的模拟，海床基在设计时要减少与淤泥的接触面积，提升时要尽量减小海床基的提升速度。

另一方面，通过分析可以看出，ANSYS对海床基的吸附力模拟可以有效地避免实际吸附力研究中的外界干扰，并且具有可重复强、性价比高等优势，是吸附力研究的一种可靠途径。

[1]牛小静.波浪与泥质海床的相互作用[D]．北京：清华大学，2008．

[2]张日向，郭承侃，王惟诚，等.JZ9-3沉箱就位安装防沉及冲刷技术研究之WHPE和SLPW沉箱吸附力试验研究报告[R]．大连:：大连理工大学土建学院，1998．

[3]马骏，杨公升，李涛.潜坐结构吸附力计算模型研究[J].中国海洋平台，2007(2)：16-19．

[4]胡展铭，陈伟斌，胡波，等.自平衡抗吸附海床基的吸附力研究分析[J].海洋技术，2012，31(2)：14-17．

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

[6]金广泉，金涛，等．底质对潜坐结构吸附力的试验研究[J].海军工程学院学报，1988，84（3）：49-53．

[7]杜杰，丁红岩，刘建辉，等.筒型基础有限元分析的土体边界选取研究[J].海洋技术，2005，24(2)：109-112．

[8]秦蕴珊，徐善民，李凡，等.渤海西部海底沉积物土工学性质的研究[J].海洋与湖沼，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

国家基金委—山东省联合基金资助项目（U1606401）；泰山学者工程专项经费资助项目（20161007）

于凯本（1977-），男，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为海洋监测技术。E-mail：yukb@ndsc.org.cn

杨涛，男，E-mail：kedayangtao@163.com