基于向量式有限元的深海S型铺管三维性状研究

深海复杂海况下海底管线的铺设常会遭遇到管线与托管架的动力碰撞，海底管线铺设过程局部屈曲等工程事故，而目前国际上考虑深海环境下管道铺设过程的分析技术还不够完善，尤其是铺管过程的三维动力学分析极为少见。向量式有限元将结构体定义成一群质点的组合，整体结构的空间状态通过每个局部的质点运动来描述，质点的运动由动力学原理控制，从而结构的运动分析变成求解每个质点的向量方程式，此法尤其适用于大位移、碰撞等细长结构的力学行为分析。本项目以向量式有限元方法为基本工具，综合考虑波流等海洋环境因素的影响，研究深海铺管过程中管道与张紧器、托管架的接触和碰撞，探索管道和海床的非线性动力相互作用机制。通过理论分析、实验研究、程序开发等手段，动画演示铺管三维动态，探讨深海铺管应变控制设计理论，提升蛇形铺管分析技术，建立管道在复杂海洋环境下的三维空间铺设力学及其安全评价体系。

深海中复杂的海况是海洋管道的安全面临的重大挑战。本项目充分考虑深海土体的复杂性，尤其是土体的塑性特点，研究深海管道在静力铺设安装过程，动力铺设过程，工作状态，以及海底滑坡灾害作用下的管道性能，进行安全评价，提出可能的控制措施。针对静力管道铺设过程，建立海洋管道在刚塑性，弹塑性海床上的解析模型，准确预测管道在铺设过程中的受力特性和管道埋深，对铺设过程中的管道安全进行评估；在此基础上，通过大型室内试验，进一步对动力铺管过程和工作状态下海洋立管的动力管土相互作用机理进行深入分析；同时，通过向量式有限元对实验过程中的海洋管道动力特性进行分析，将实验结果和计算结果进行比较，得到了可靠的结论；最后对不同类型的海洋管道在海底滑坡灾害作用下的安全性进行系统研究，形成了海洋管道安全性及灾变控制的分析体系，为我国深海资源的开采提供了非常重要的技术储备。