王 磊，李軍營，呂偉俊，魏 為，續(xù) 明，張其一

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450

2.天津市精研工程機械傳動有限公司，天津 300409

3.中國海洋大學工程學院，山東青島 266100

近年來，由于陸地資源的枯竭和海底油氣的大量發(fā)現(xiàn)，我國已非常重視海洋油氣田的開發(fā)和利用。海底管道是海洋油氣田開發(fā)過程中輸送油氣資源的重要設(shè)施，由于受復雜海洋環(huán)境的影響，海底管道極易受到損壞。為了避免海底管道受損，必須將其埋設(shè)到一定的深度[1]。目前，海底開溝作業(yè)常用的挖溝方法大致有4種：機械開溝法、高壓水射流噴沖法、機械和水噴沖結(jié)合法、海管自然沉降埋設(shè)法。在國外，歐美等發(fā)達國家在海底挖溝技術(shù)方面的研究較早，積累了大量的工程經(jīng)驗，已經(jīng)形成了系列化的開溝機裝備，且主要技術(shù)由SMD、IHCEB、FET、Saipem-Sonsub、Nexans公司壟斷[2]。我國的海底挖溝技術(shù)起步較晚，且海底土壤介質(zhì)與強度、管徑與重量、挖溝方式和挖溝深度對挖溝機的選擇影響都很大[3]，所以，研制針對不同土壤的挖溝機勢在必行。

國內(nèi)外學者對海床開溝也進行了大量研究。谷凡等人[4]對海流-管-土耦合機理和3D局部沖刷機理等做了分析和總結(jié)。錢忠東等人[5]（2011）采用了歐拉多相流模型，開展了大量的沖刷研究。張樹森等人[6]對海底沖射式開溝技術(shù)做了深入的研究與探討。顧磊等人[7]（2017）采用ALE方法計算了射流沖刷砂土和黏土的問題。劉春光等人[8]對國外機械開溝技術(shù)進行了研究總結(jié)，該研究表明，除剪切強度外，土體的抗拉強度和液塑性質(zhì)也對挖溝機破土有影響。

本文主要是基于一種硬質(zhì)土壤鏈式挖溝機，對挖溝機切削土體進行研究。采用流固耦合非線性理論，利用CEL數(shù)值計算方法，對水下鏈鏟式挖溝機開溝過程進行詳細模擬計算，研究開溝過程中鏈鏟對土體的切削作用與破土機理，給出工程上簡潔、高效的切削荷載計算公式，給出開溝過程中準確的拖輪橫向拖曳力。

1 數(shù)值模型

1.1 歐拉-拉格朗日數(shù)值算法

傳統(tǒng)的拉格朗日分析法只適用于小變形的情況，如圖1（a）所示：計算過程中節(jié)點和材料已設(shè)定，在外荷載作用下網(wǎng)格單元會發(fā)生變形；當荷載突變或量級較大時，單元網(wǎng)格將會發(fā)生畸變，從而導致數(shù)值計算無法收斂。相對而言，如圖1（b）所示：采用歐拉-拉格朗日算法時，計算過程中網(wǎng)格節(jié)點在空間中固定，物質(zhì)材料能夠在網(wǎng)格內(nèi)部流動，即使材料發(fā)生過大扭曲，單元網(wǎng)格也不會發(fā)生變形，所以數(shù)值計算過程中具有較好的收斂性。非線性有限元軟件ABAQUS結(jié)合了二者的優(yōu)點，采用了耦合的歐拉-拉格朗日（CEL）方法，可以通過分析歐拉材料的體積分數(shù)（EVF）來跟蹤其流經(jīng)網(wǎng)格的情況，克服了傳統(tǒng)有限元分析方法在處理大變形問題上的難題[9]。

圖1 拉格朗日法和歐拉法的變形分析

1.2 模型建立

鏈鏟式挖溝機有限元網(wǎng)格模型如圖2（a）所示，包括：前置鏈鏟切削裝置、中置小口徑水力切割裝置、后置大口徑噴沖裝置、尾部抽吸揚泥臂。鏈鏟式挖溝機采用小變形的拉格朗日彈性材料模擬。

數(shù)值計算過程中，海床土體設(shè)定為歐拉體，如圖2（b）所示，采用大變形的歐拉材料模擬，土體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，土體參數(shù)如表1所示。在開溝過程中，由于鏈鏟的機械切削作用，鏈鏟周圍土體會發(fā)生隆起與擴散，故在海床土體頂部設(shè)置空隙層，以避免土體的邊界流出；土體模型寬度取14D（D為鏈鏟高度），土體模型長度取20D，土體模型高度取6D。數(shù)值計算過程中，采用速度邊界條件對海床土體施加速度約束，在鏈鏟參考點上施加恒定的速度來實現(xiàn)鏈鏟對土體的切削作用，歐拉材料與拉格朗日體之間的相互作用使用通用接觸對來定義。

圖2 鏈鏟式挖溝機有限元模型

表1 海床土體模型參數(shù)

1.3 模型驗證

為了確保數(shù)值模型計算結(jié)果的準確性，需要對有限元模型的網(wǎng)格類型與數(shù)量進行對比試算，以及合理調(diào)整網(wǎng)格模型的邊界條件。多次調(diào)整單元類型、網(wǎng)格數(shù)量與密度，最終選擇了網(wǎng)格單元數(shù)目為2 482 578，單元類型為EC3D8R來進行數(shù)值仿真計算。試算過程如表2所示。

表2 有限元網(wǎng)格驗證

2 數(shù)值計算

為了較為準確地對鏈鏟切削過程進行模擬，分析土體的變形規(guī)律與鏈鏟的切削阻力，本文采用圖3所示的鏈鏟模型進行計算。

圖3 鏈鏟模型

圖3所示的4套鏈鏟中，圖3（a）為包含2個鈄齒的一組鏈鏟，數(shù)值計算過程中用于研究鈄齒不同切入深度情況下周圍土體的變形規(guī)律；圖3（b）包含七組鏈鏟，用于理論求解鏈鏟的切削荷載平均值；圖3（c）為一整套鏈鏟結(jié)構(gòu)，包含八組不同尺寸、不同布置形式、不同鈄齒間距的鏈鏟，該布置形式為鏈鏟式挖溝機的實際結(jié)構(gòu)形式，數(shù)值計算結(jié)果用于跟圖3（b）的理論結(jié)果進行校核與比對；圖3（d）為鏈鏟挖溝機的實際模型，參見圖2（a），用于模擬海床土層的開溝效果。

2.1 土體變形規(guī)律

在鏈鏟垂直切削作用下，海床土體產(chǎn)生局部切削，鏈鏟鈄齒周圍很小范圍的土體被鈄齒切削破碎，切削土層塑性應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

圖4 鏈鏟切削土層塑性應(yīng)變

圖4顯示鈄齒尖部切入土層時，鈄齒尖端直接與土體的相互作用，齒尖將前部土體切碎、剝離；同時，在齒尖的擠壓作用下，齒尖周圍土體發(fā)生擠壓大變形；距離齒尖距離越遠，土體發(fā)生塑性變形的程度越弱，所以本文設(shè)計的鏈鏟結(jié)構(gòu)為變尺寸形式，參見圖3（c）。

為了進一步研究齒尖入土深度對切削變形的影響，對不同切厚情況下的鏈鏟切削規(guī)律進行了數(shù)值模擬，鈄齒入土深度分別取為D1=10 mm、D2=60 mm、D3=90 mm，如圖5（a）所示。

由圖5（b）～（d）所示的鈄齒周圍土體變形規(guī)律可知：隨著鈄齒切入土層深度的增加，鈄齒周圍被破碎、切削的土體逐漸增多；當鏈鏟整體被壓入土層時，鏈鏟前部土體被整體切削，切削土體尺寸（長×寬×深）為361 mm×114 mm×90 mm，如圖5（d）所示；當切削厚度為D2=60 mm時，整個鈄齒全部切入土層，同時連帶部分齒座的切削作用，如圖5（c）所示，導致鏈鏟兩側(cè)切削土體范圍與鈄齒尖端擠壓土體厚度都大于圖5（b）所示的工況。

圖5 不同切土厚度情況下土體變形規(guī)律

2.2 鏈鏟切削阻力

為了研究鏈鏟切削速度對切削阻力的影響規(guī)律，本文假定鏈鏟挖溝機以水平速度為30、60、100、180 m/h水平作業(yè)，對不同切削速度情況下的切削荷載進行了詳細計算，計算結(jié)果如圖6所示。

針對圖6給出的數(shù)值計算結(jié)果，本文采用最小方差擬合法，給出了如下經(jīng)驗公式，以方便實際工程采用。

圖6 挖溝機不同行進速度下鈄鏟切削速度與切削荷載關(guān)系

式中：Vx為鏈鏟挖溝機水平行進速度，m/s；Vy為鈄齒切削速度，m/s；L為鈄齒間距，按照設(shè)計圖紙取為0.228 8 m；Su為海床土體不排水抗剪強度，MPa；Fi表示鏈鏟切削荷載，kN。

為了驗證式（1）的準確性，圖7給出了該式與數(shù)值計算結(jié)果的對比關(guān)系。

圖7 挖溝機不同行進速度下切削阻力計算公式與數(shù)值計算結(jié)果對比

由圖7所示的對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文給出的鏈鏟切削阻力計算公式（1）能夠較好地與數(shù)值計算結(jié)果進行擬合。

3 結(jié)論

本文基于歐拉-拉格朗日算法，對鏈鏟式機械挖溝機海床作業(yè)過程進行了數(shù)值計算，分析了鏈鏟開溝過程中鈄齒周圍土體的變形規(guī)律，對土體切削阻力進行了詳細求解，得出如下主要結(jié)論。

（1）鏈鏟式挖溝機作業(yè)過程中，鈄齒切入土層厚度越小，所需要的切削荷載越??；鏈鏟轉(zhuǎn)速越快，鈄齒豎直切削土體速度就越高，切削土層就越薄，所需要的切削荷載就越小。

（2）本文給出的鏈鏟切削阻力計算公式，能夠快速、準確地預估鏈鏟切削阻力，能夠為工程實際應(yīng)用提供參考。