基于ALE、CEL法的管土垂向相互作用数值模拟对比分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第 ３３卷第 ２期 ２０１９年 ４月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕ
Ｕｎｉ江ｖｅｒ苏ｓｉｔｙ科ｏ技ｆＳ大ｃｉｅ学ｎｃｅ学ａ报ｎｄ（自Ｔｅｃ然ｈｎ科ｏｌｏ学ｇｙ版（Ｎ）ａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） ＶｏＡｌｐ３ｒ．３２０Ｎ１ｏ９２
ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１９．０２．００１
基于 ＡＬＥ、ＣＥＬ法的管土垂向相互作用 数值模拟对比分析
孙肖菲，王树青 ，陈旭光，姚 潞
（中国海洋大学 山东省海洋工程重点实验室，青岛 ２６６１００）
摘 要：深海管道在自身重量、水压以及铺设的作用下会嵌入到海床的一定深度处，其中管土垂向相互作用会对管道在海 底的在位稳性造成影响，选择合适的数值计算方法来处理地基土壤网格有重要意义．文中基于 Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ、ＡＬＥ、ＣＥＬ法开展 了管土相互作用的数值模拟对比分析，得到管道下沉位移—抗力载荷关系曲线，与现有理论研究成果进行了对比．研究了 网格尺寸大小、管道贯入速度及管道与土壤接触表面的不同粗糙度等因素对管土相互作用模拟方法的影响，通过 ＡＬＥ、ＣＥＬ 法对无量纲化参数 Ｅｕ／Ｓｕ、土壤容重 γ′进行了参数敏感性分析．分析结果表明：ＡＬＥ、ＣＥＬ法均较 Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ法具有更高的准 确性．其中 ＡＬＥ法更适合接触面粗糙的情况，ＣＥＬ法更适合接触面光滑的情况，并且判断出网格尺寸敏感性和贯入速度影 响程度的临界点通常出现在 １０％ ～２０％管径深处；当 Ｅｕ／Ｓｕ的取值在 ４００～１０００，参数对荷载位移关系几乎没有影响；当 管道的贯入深度为 １０％管径，是判断土壤容重参数敏感性的临界位移． 关键词：管土垂向相互ห้องสมุดไป่ตู้用；ＡＬＥ；ＣＥＬ；网格尺寸；管道贯入速度 中图分类号：ＴＶ１３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４８０７（２０１９）０２－００１－０８
发．Ｅｍａｉｌ：ｓｈｕｑｉｎｇ＠ｏｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ 引文格式：孙肖菲，王树青，陈旭光，等．基于 ＡＬＥ、ＣＥＬ法的管土垂向相互作用数值模拟对比分析［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），
收稿日期：２０１８－０１－２３ 修回日期：２０１８－０４－２３ 基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（５１６２５９０２）；工信部柔性管基金资助项目；山东省泰山学者工程计划基金资助项目（ＴＳ２０１５１１０１６） 作者简介：孙肖菲（１９９１—），男，硕士研究生 通信作者：王树青（１９７５—），男，教授，博士生导师，研 究 方 向 为 海 洋 工 程 结 构 物 振 动 分 析、健 康 检 测、耦 合 动 力 分 析 以 及 海 洋 柔 性 管 研
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｐｉｐｅｓｏｉｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄｏｎＣＥＬａｎｄＡＬＥａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ
ＳＵＮＸｉａｏｆｅｉ，ＷＡＮＧＳｈｕｑｉｎｇ ，ＣＨＥＮＸｕｇｕａｎｇ，ＹＡＯＬｕ
（ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｅｐｓｅａｐｉｐｅｌｉｎｅｓｗｉｌｌｂｅｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｓｅａｂｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｅｌｆｇｒａｖｉｔｙ，ｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄｌａｙｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｃａｓｅ，ｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｐｉｐｅｓｏｉｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｏｕｌｄｈａｖｅａｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍ ｏｆｔｈｅｓｅａ．Ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｃｈｏｏｓｅａｐｒｏｐｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｉｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｆｓｏｉｌａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｐｉｐｅｓｏｉｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｌｏａｄａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｉｎｋｉｎｇｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｉｐｅａｎｄｓｏｉｌｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙ， ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｓｏｉｌ’ｓｇｒｉｄｓｉｚｅ，ｐｉｐｅｌｉｎｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｐｉｐｅ ａｎｄｓｏｉｌｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＡＬＥａｎｄＣＥＬａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒＥｕ／ＳｕａｎｄｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｂｙｕｓｉｎｇＡＬＥｍｅｔｈｏｄａｎｄＣＥＬｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓｏｆＡＬＥａｎｄＣＥＬｈａｖｅｈｉｇｈｅｒａｃｃｕｒａｃｙｔｈａｎＬａｇｒａｎｇｉａｎｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅＡＬＥｍｅｔｈｏｄｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒ ｔｈｅｒｏｕｇｈｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅＣＥＬｍｅｔｈｏｄｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｓｍｏｏｔｈｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌｐｏｉｎｔｓｏｆｇｒｉｄｓｉｚｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｒｅｕｓｕａｌｌｙｌｏｃａｔｅｄａｔ０１～０２ｔｉｍｅｓｏｆｔｈｅ ｐｉｐｅ′ｓｄｉａｍｅｔｅｒ．ＷｈｅｎｔｈｅｖａｌｕｅｏｆＥｕ／Ｓｕｉｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎ４００ａｎｄ１０００，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｈａｖｅｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔ
Ｕｎｉ江ｖｅｒ苏ｓｉｔｙ科ｏ技ｆＳ大ｃｉｅ学ｎｃｅ学ａ报ｎｄ（自Ｔｅｃ然ｈｎ科ｏｌｏ学ｇｙ版（Ｎ）ａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） ＶｏＡｌｐ３ｒ．３２０Ｎ１ｏ９２
ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１９．０２．００１
基于 ＡＬＥ、ＣＥＬ法的管土垂向相互作用 数值模拟对比分析
孙肖菲，王树青 ，陈旭光，姚 潞
（中国海洋大学 山东省海洋工程重点实验室，青岛 ２６６１００）
摘 要：深海管道在自身重量、水压以及铺设的作用下会嵌入到海床的一定深度处，其中管土垂向相互作用会对管道在海 底的在位稳性造成影响，选择合适的数值计算方法来处理地基土壤网格有重要意义．文中基于 Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ、ＡＬＥ、ＣＥＬ法开展 了管土相互作用的数值模拟对比分析，得到管道下沉位移—抗力载荷关系曲线，与现有理论研究成果进行了对比．研究了 网格尺寸大小、管道贯入速度及管道与土壤接触表面的不同粗糙度等因素对管土相互作用模拟方法的影响，通过 ＡＬＥ、ＣＥＬ 法对无量纲化参数 Ｅｕ／Ｓｕ、土壤容重 γ′进行了参数敏感性分析．分析结果表明：ＡＬＥ、ＣＥＬ法均较 Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ法具有更高的准 确性．其中 ＡＬＥ法更适合接触面粗糙的情况，ＣＥＬ法更适合接触面光滑的情况，并且判断出网格尺寸敏感性和贯入速度影 响程度的临界点通常出现在 １０％ ～２０％管径深处；当 Ｅｕ／Ｓｕ的取值在 ４００～１０００，参数对荷载位移关系几乎没有影响；当 管道的贯入深度为 １０％管径，是判断土壤容重参数敏感性的临界位移． 关键词：管土垂向相互ห้องสมุดไป่ตู้用；ＡＬＥ；ＣＥＬ；网格尺寸；管道贯入速度 中图分类号：ＴＶ１３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４８０７（２０１９）０２－００１－０８
发．Ｅｍａｉｌ：ｓｈｕｑｉｎｇ＠ｏｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ 引文格式：孙肖菲，王树青，陈旭光，等．基于 ＡＬＥ、ＣＥＬ法的管土垂向相互作用数值模拟对比分析［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），
收稿日期：２０１８－０１－２３ 修回日期：２０１８－０４－２３ 基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（５１６２５９０２）；工信部柔性管基金资助项目；山东省泰山学者工程计划基金资助项目（ＴＳ２０１５１１０１６） 作者简介：孙肖菲（１９９１—），男，硕士研究生 通信作者：王树青（１９７５—），男，教授，博士生导师，研 究 方 向 为 海 洋 工 程 结 构 物 振 动 分 析、健 康 检 测、耦 合 动 力 分 析 以 及 海 洋 柔 性 管 研
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｐｉｐｅｓｏｉｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄｏｎＣＥＬａｎｄＡＬＥａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ
ＳＵＮＸｉａｏｆｅｉ，ＷＡＮＧＳｈｕｑｉｎｇ ，ＣＨＥＮＸｕｇｕａｎｇ，ＹＡＯＬｕ
（ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｅｐｓｅａｐｉｐｅｌｉｎｅｓｗｉｌｌｂｅｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｓｅａｂｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｅｌｆｇｒａｖｉｔｙ，ｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄｌａｙｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｃａｓｅ，ｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｐｉｐｅｓｏｉｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｗｏｕｌｄｈａｖｅａｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍ ｏｆｔｈｅｓｅａ．Ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｃｈｏｏｓｅａｐｒｏｐｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｉｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｆｓｏｉｌａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｐｉｐｅｓｏｉｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｌｏａｄａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｓｉｎｋｉｎｇｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｉｐｅａｎｄｓｏｉｌｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙ， ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｓｏｉｌ’ｓｇｒｉｄｓｉｚｅ，ｐｉｐｅｌｉｎｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｐｉｐｅ ａｎｄｓｏｉｌｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＡＬＥａｎｄＣＥＬａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒＥｕ／ＳｕａｎｄｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙｂｙｕｓｉｎｇＡＬＥｍｅｔｈｏｄａｎｄＣＥＬｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓｏｆＡＬＥａｎｄＣＥＬｈａｖｅｈｉｇｈｅｒａｃｃｕｒａｃｙｔｈａｎＬａｇｒａｎｇｉａｎｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅＡＬＥｍｅｔｈｏｄｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒ ｔｈｅｒｏｕｇｈｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅＣＥＬｍｅｔｈｏｄｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｓｍｏｏｔｈｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌｐｏｉｎｔｓｏｆｇｒｉｄｓｉｚｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅａｒｅｕｓｕａｌｌｙｌｏｃａｔｅｄａｔ０１～０２ｔｉｍｅｓｏｆｔｈｅ ｐｉｐｅ′ｓｄｉａｍｅｔｅｒ．ＷｈｅｎｔｈｅｖａｌｕｅｏｆＥｕ／Ｓｕｉｓｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎ４００ａｎｄ１０００，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｈａｖｅｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔ