[发明专利]考虑锚泊线动力触底效应的海床沟槽三维形态预测方法

权利要求书

1.一种考虑锚泊线动力触底效应的海床沟槽三维形态预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)：a.根据锚泊半径、水深、锚眼深度、锚泊线参数和土体性质，计算得到初始锚泊线形态和张力；预张锚泊线，以达到初始要求的锚泊线形态和张力；

b.设定导缆孔的循环运动路径，模拟浮式结构物的运动，从而得到土中段和水中段锚泊线的受力状态以及锚泊线引起扰动的土体区域范围；

c.步骤b经若干次循环后，锚泊线引起的扰动土体区域范围变得稳定，从而得到稳定的锚泊线形态和受力状态；

2)：a.根据步骤1)得到的稳定锚泊线形态，计算沟槽的最深点和横向位移最大点，用于描述沟槽轮廓；

b.根据步骤a中的计算结果判断是否结束预测：

将步骤a的计算结果返回步骤1中继续进行计算；若经若干次循环后获得稳定的沟槽轮廓，则直接输出步骤a的计算结果；否则返回步骤1)中进行继续计算。

2.根据权利要求1所述的考虑锚泊线动力触底效应的海床沟槽三维形态预测方法，其特征在于，所述的步骤1)中，锚泊线形态和受力状态具体为：

建立一个直角坐标系O_XYZ和两个局部坐标系P_xyz和P_uvw；在直角坐标系中，海床平面设置为OXY平面，原点O位于土体中锚眼在海床面上的投影点；Y轴为由吸力锚轴线和锚眼确定的平面OYZ和海床面OXY的交线，Z轴垂直于海床面OXY方向竖直向上，X轴垂直于OYZ平面表示锚泊线的横向运动方向；将整根锚泊线进行划分，获得各个分段单元，并在每个分段单元上建立局部坐标系P_xyz，P_xyz的原点在P点，其坐标轴方向与O_XYZ相同，P点位于锚泊线分段单元的中心点；P_uvw为一个建立在锚泊线分段单元的局部坐标系，该坐标系以锚泊线形态分为三个分量：切线、法线和副法线(u、v、w)；两个局部坐标系之间的关系可表示为：

式中，β＝β(l)和θ＝θ(l)是锚泊线仰角和方位角，l是指锚泊线单元长度；

将u定义为点P处锚泊线的方向，x、y和z方向的锚泊线单元投影长度可表示为：

三维动态条件下，锚泊线单元的受力状态的控制方程表示如下：

M(X,Y,Z,a)+C(X,Y,Z,v)+K(X,Y,Z)＝F(X,Y,Z,v,t) (3)

式中，M(X,Y,Z,a)为惯性力、C(X,Y,Z,v)为阻尼力、K(X,Y,Z)为弹性力和F(X,Y,Z,v,t)为外力，X、Y和Z表示整体坐标系中锚泊线单元的坐标，a是单元的加速度，v为单元的速度，t是时间；

外力包括三个方向的流体作用力(F_n,F_b,F_τ)、三个方向的土体抗力(Q_n,Q_b,Q_τ)以及锚泊线在水和海床中的单位重度(W_w,W_s)；

采用莫里森方程计算作用在锚泊线上的流体作用力：

其中，ρ_w是水的密度，d_eff是锚链的有效直径；dl是锚泊段单元长度，V₀是由锚泊线排除的水量，v_n,v_b和v_τ分别是锚泊线和海水在法向、副法向和切向的相对速度，C_dn和C_dτ分别是法向和切向抗力系数；

作用在锚泊线上的土体抗力分解为法向分量Q_n、副法向分量Q_b和轴向分量Q_τ，表示为：

Q_τ＝E_τd_bfdl (5c)

式中，d_b为锚链名义直径，E_n和E_τ分别为法向、轴向等效宽度参数；q为总法向抗力，根据方向可分解为法向和副法向分量，d_w和d_v分别是法向和副法线方向上的位移，f是锚泊线的轴向抗力；

q和f通过以下表达式计算：

q＝N_cs_u (6a)

f＝αs_u (6b)

式中，s_u是土体的不排水抗剪强度；N_c是土层深度z的函数，表示为

在动态条件下，应考虑土体应变率效应，即土的抗剪强度随剪切应变率的增加而提高的现象；应变率的影响通过参数R_f来表征，R_f是一定剪切应变率下的土体强度与参考应变率下的土体强度之间的关系，法向、副法向和轴向上的参数R_f表示为：

其中，β是应变率参数，介于0.034-0.140之间；参考剪切应变率和是三个方向上的剪切应变率，定义为：

其中，d为特征直径，d＝d_en＝E_nd_s；考虑剪切应变率的真实土体抗力为：

S_u＝S_urR_f (10)

其中，S_ur是重塑土抗剪强度。

3.根据权利要求2所述的考虑锚泊线动力触底效应的海床沟槽三维形态预测方法，其特征在于，所述的步骤2)中，沟槽轮廓由沟槽的最深点(0,Y_dp,Z_dp)和横向位移最大点(X_tp,Y_tp,0)的计算方法：

所述沟槽的最深点(0,Y_dp,Z_dp)表示为：在一个循环内锚泊线从上到下第一个不动点，从该点开始，锚泊线的位置始终保持不变；对一个循环内的锚泊线位置，最深点(0,Y_dp,Z_dp)满足以下标准：

其中，(X_i,Y_i,Z_i)是一个循环中任意一个锚泊线分段单元的位置坐标；

横向位移最大点(X_tp,Y_tp,0)的确定方法为：在动态条件下，锚泊线周围形成触底区域，将触底区域中最大的X坐标对应的点定义为横向位移最大点并记为(X_tp,Y_tp,0)。