海底管道与土壤的耦合作用

论文摘要

海底管道与土壤的相互作用是海底管道设计中的关键问题之一。本文通过大型通用有限元计算软件ABAQUS程序,土体的本构模型(应力应变关系)分别采用非线性弹性模型、多孔弹性模型、弹塑性模型,对管土系统进行有限元分析,获得每种本构模型各个方向的阻力位移曲线,并应用阻力位移曲线计算在自重和环境载荷作用下单跨管道的应力分布和位移分布的算例。由于管道与土体是两种不同的材料,要考虑接触面的影响,根据软件中所规定的建立接触面的方法建立管道与海床这一接触对。1、本文用Fortran语言编写了土壤本构非线性弹性模型程序,并嵌入ABAQUS对海底管道进行静态计算与分析。由计算结果得到了海底管道在土壤中的各个方向的阻力位移曲线,根据各个方向的阻力位移曲线得到了土壤相应方向的非线性弹性刚度系数。此外,本文以海底单跨管道为例,用上述的弹性刚度系数的弹簧模拟非线性土壤,将其作为单跨管道的边界条件,计算了单跨管道在自重和环境载荷作用下的应力分布与其位移变化。2、流—固—土耦合的试验表明,渗流在管土系统中起着重要的作用,因此土壤的本构关系可采用多孔弹性模型来模拟。本文编写了土壤孔隙比随深度变化的子程序,借助ABAQUS计算得到了管道在土壤中的各个方向的阻力位移曲线,由阻力位移关系曲线得到了土壤多孔弹性模型的弹簧刚度。运用该土壤模型模拟单跨管道在自重和环境载荷作用下与土壤接触的边界条件,计算分析了单跨管道的应力分布及其位移关系。3、土壤的变形既包括弹性变形又包括塑性变形。本文由土壤的弹塑性模型计算得到了土壤各方向的刚度系数,同样以海底单跨管道为例,由弹簧模拟管道与土壤接触的边界条件,考察了管道的应力分布情况和位移变化关系。最后,本文对三种土壤模型的阻力位移曲线的计算结果进行了比较与分析,同时本文的计算结果还与ALA规范计算结果进行了比较,研究结果表明三种土壤阻力位移曲线变化趋势明显不同,但多孔模型与规范最为接近,可以为海底管线的设计提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外动态
• 1.3 论文研究的方法
• 1.4 论文要研究的内容
• 第2章 土壤及软件建模
• 2.1 海床土壤特点
• 2.1.1 底质分类
• 2.1.2 底质分布及工程特性
• 2.2 埋置管线
• 2.2.1 海底填埋管道的目的
• 2.2.2 南海海底管道的合理埋深
• 2.3 Abaqus软件介绍
• 2.3.1 非线性问题分类
• 2.3.2 对非线性问题的处理
• 2.3.3 接触
• 2.4 有限元模型建立
• 2.4.1 分析步
• 2.4.2 边界条件
• 2.4.3 主从面选择
• 2.4.4 网格
• 2.5 本章小结
• 第3章 非线性本构模型及其应用
• 3.1 邓肯—张（Duncan—Chang）双曲线模型
• 3.1.1 切向变形模量
• 3.1.2 切线泊松比（poisson's ratio）
• 3.1.3 卸载—再加载模量
• 3.1.4 关于Duncan-chang模型的讨论
• 3.1.5 Duncan-Chang模型参数的确定
• 3.1.6 材料属性
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 下沉
• 3.2.2 侧向阻力与位移关系
• 3.2.3 上浮
• 3.3 阻力位移曲线的应用
• 3.3.1 模型建立
• 3.3.2 载荷
• 3.3.3 MORISON方程
• 3.4 本章小结
• 第4章 多孔模型及其应用
• 4.1 比奥理论
• 4.1.1 比奥慢波理论
• 4.1.2 比奥固结理论
• 4.2 达西定律
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 模型参数
• 4.3.2 稳定时间步长最小值确定
• 4.4 阻力位移曲线的应用
• 4.5 本章小结
• 第5章 弹塑性模型及其应用
• 5.1 土壤塑性力学性质
• 5.2 基本理论
• 5.3 结果与分析
• 5.4 阻力位移曲线应用
• 5.5 本章小结
• 第6章 几种土壤本构模型对比
• 6.1 竖直下沉阻力位移曲线比较
• 6.2 侧向阻力位移曲线比较
• 6.3 竖直上浮阻力位移曲线比较
• 6.4 各种本构模型的特点
• 6.4.1 对邓肯—张模型的评价
• 6.4.2 对多孔模型的评价
• 6.4.3 对ramberg-osgood本构模型的评价
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢