铺管船-管道-海床耦合动力学特性研究

J-laying method has been a new type of pipelaying technology sine 1980s. It is considered the most suitable pipelaying method for deep water and ultra-deep water. Foreign research on the J-laying technology has started, but the relevant theoretical research and engineering experience is not mature. What’s more, there is no J-laying engineering operation in our country for now. In the process of pipelaying, the interaction between the pipelaying vessel, pipeline and the seabed needs to be considered. Therefore, the dynamic characteristics of the pipelaying operation are mainly related to the problem of pipelaying vessel-pipe-seabed coupling dynamics. The main research contents of the project include the following four aspects: (1) the coupled kinetic model of the pipelaying vessel and the pipeline; (2) the coupled kinetic model of the pipeline and the seabed; (3) the analysis of pipelaying vessel-pipeline-seabed coupling dynamics; (4) model test of pipelaying operation. It reveals the basic law of the coupling force among the structures in the pipe laying operation and the main factors influencing the pipeline deformation. It aims to provide reference for the safety and pipelaying ability of the laying operation.

J型铺管法作为20世纪80年代以来兴起的一种新型的铺管技术，被认为是深水和超深水铺管的最适用方法。国外对该技术的研究工作虽已起步，但是相关的理论研究与工程作业经验并不算成熟，国内尚没有J型铺管的实际工程作业经验。铺管作业过程中需要考虑到铺管船、管道与海床间的相互影响，因此铺管作业的动力学特性所关注的内容主要涉及到铺管船-管道-海床耦合动力学问题，本项目主要从以下四方面进行研究：（1）铺管船与管道耦合动力学模型；（2） 管道与海床耦合动力学模型；（3）铺管船-管道-海床耦合动力学分析；（4）深水铺管作业水池模型实验验证。通过以上研究揭示铺管作业中各结构间耦合受力的基本规律以及影响管道形变的主要因素，旨在为铺管作业安全性与铺设能力评估提供参考。

为确定深水铺管作业过程中铺管船运动以及管道与海床动力学响应的各种影响因素，本项目结合数值计算与模型实验进行了三者之间的耦合动力学相关研究工作，主要研究内容包括：1）建立了铺管船六自由度运动数学模型和海底管道力学计算模型，进而建立了铺管船与管道耦合动力学数值仿真模型，分析了耦合因素下船舶运动与管道应力的特性；2）建立了管道与海床耦合动力学模型，对管土相互作用规律和影响因素进行数值仿真研究；3）基于边界条件连续性开发模型数据接口，建立了铺管船-管道-海床全耦合仿真模型并进行动力学仿真分析；4）设计并开展深水铺管作业水池模型实验，探究能最大程度满足相似条件的海底管道模型材料选取方法和适用于该模型实验的机构设计和装备布置，研究了模型尺度下铺管作业动力学特性并为数值仿真提供验证依据。项目分析了三者间耦合动力学特性，并利用模型实验结果验证了数值仿真模型的准确性，研究了不同海洋环境条件、不同管道参数以及不同海床属性下，铺管船、管道与海床作用时管道受力随时间的变化情况，揭示了铺管作业中的管道受力基本规律以及影响管道形变的主要因素，研究成果可以为铺管工程中作业的安全性与铺设能力评估提供参考。