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文檔簡介
1、隨著我國島嶼間電力網(wǎng)絡(luò)的完善、通信需求的增大,選擇海底電纜作為跨海的電力、通信傳輸介質(zhì)已成為必然。但最近幾年來海纜被船錨破壞的事故經(jīng)常發(fā)生,使其安全運營遭到極大威脅,并且造成了巨大的經(jīng)濟損失。對于海床較堅硬的地方,目前國內(nèi)外通常采用拋石保護層來防護海底電纜。雖然這種海纜防護方式在實際工程中已有廣泛應(yīng)用,也對海纜抵御船錨侵害起到了一定的作用,但是其實際的抗錨害能力在國內(nèi)外還鮮有定量研究,在拋石的設(shè)計以及抗錨害能力計算方面也基本是空白。為此
2、,本文對海底電纜拋石保護層抗錨害能力這一實際工程問題展開了全面系統(tǒng)的研究,可以為將來的拋石設(shè)計計算提供理論依據(jù)。本文主要進行了以下幾個方面的工作:
1.錨泊系統(tǒng)荷載研究。為了得到船錨侵害拋石保護層的初始荷載,本文首先研究了單獨施加于船體、錨鏈的外部作用力,然后建立了錨泊系統(tǒng)的平衡偏微分方程,并編寫了相應(yīng)的迭代求解程序,最后對三種船錨和對應(yīng)的船型在多個放錨階段下的荷載進行了計算,得到了不同放錨階段時船錨外部作用力。計算結(jié)果表明,
3、船錨所受豎向力和水平力都隨錨鏈釋放長度的增加而減小,并呈明顯的非線性特征。
2.散體顆粒材料模型及接觸力學(xué)研究。海底電纜拋石保護層由散體顆粒材料組成,本文首先研究了顆粒的兩種基本模型—軟球模型和硬球模型,提出了相應(yīng)的模型假設(shè),確定了不同顆粒模型的適用范圍;然后研究了顆粒與顆粒之間的接觸模型,比較了接觸模型之間的差異,確定了不同接觸模型的適用范圍;最后提出了顆粒均一化的基本概念,并給出了顆粒均一化的基本過程,以平均應(yīng)力的推導(dǎo)為例
4、,實現(xiàn)了顆粒從微觀尺度到宏觀尺度的均一化過程。
3.基于離散元理論的拋石抗錨害能力研究。本文研究了離散單元法的基本思想,并建立了離散元法的基本運動方程,給出了幾種求解離散元運動方程的數(shù)值方法,比較了不同數(shù)值方法的精度和穩(wěn)定性;提出了三種確定時間步長的方法,并推導(dǎo)得出了時間步長的解析表達式,給出了不同時間步長確定方法的適用范圍;以顆粒離散元分析軟件PFC3D為仿真平臺,建立了船錨—拋石—海底電纜的離散單元模型, 通過對
5、瓊州海峽500kV海底電纜防護工程這一實例的計算分析,定量得到了拋石保護層的抗錨害能力,并研究了拋石顆粒粒徑和摩擦系數(shù)對其抗錨害能力的影響。
4.基于離散—連續(xù)耦合理論的拋石抗錨害能力研究。首先通過經(jīng)典變分原理,推導(dǎo)了離散單元法與其它連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值方法耦合的理論解析式,證明了耦合算法的可行性;然后通過引入“過渡層”概念,實現(xiàn)了離散元法和有限元法的耦合計算,同時,通過接觸面的相容條件和平衡條件,實現(xiàn)了離散元法和有限差分法的耦合計
6、算,并都給出了耦合計算的流程圖;最后依據(jù)同樣一工程實例,利用PFC3D建立拋石保護層的離散元模型,同時利用FLAC3D建立了船錨和海底電纜的有限差分的連續(xù)介質(zhì)模型,通過離散元—有限差分法的耦合計算,定量得到了拋石保護層的抗錨害能力,并將結(jié)果和離散元近似法的結(jié)果作了初步對比。
5.拋石保護層抗錨害能力的試驗研究。針對國內(nèi)外缺少相關(guān)試驗研究的情況,以及為了驗證兩種理論計算方法的正確性,設(shè)計了拋石保護層抗錨害能力的室內(nèi)縮尺試驗,采用
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