黏土条件下霍尔锚落锚过程建模与分析

杨光辉， 徐 健,2， 段梦兰

(1. 北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249)

黏土条件下霍尔锚落锚过程建模与分析

杨光辉1， 徐 健1,2， 段梦兰1

(1. 北京科技大学机械工程学院，北京 100083；2. 中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249)

通过对霍尔锚落锚过程的分析，利用有限元方法建立了霍尔锚在海底黏土中运动的有限元仿真模型。在建模过程中详细分析了建模方法和参数设定等，研究了通用网格划分、ALE自适应网格划分和网格细化划分方法3种不同方法对模拟结果的影响。可以看出，不同网格划分方法所计算的霍尔锚落锚深度不同，其对计算精度具有一定影响。通常情况下，优先采用ALE自适应网格划分方法能够较好地保证计算精度。同时，使用合理的网格细化方法也能获得较好的计算精度。利用所建模型分析了不同锚重的落锚过程和深度，为落锚的定量分析提供了一定依据。

落锚深度；有限元分析；ALE自适应网格

雫瞜淓浧伃乶盠吭岱，淓廱篽邯哨疑罢箥谚昙谚奣晁眦壺奶，周晒垄淓浧争芆袨盠呠稩芕芒亻晁跧壺奶，疍仪镶洦侸乶聨俛淓廱篽邯、疑罢箥谚昙郉劌碐垫盠枖珣跦柁跦妃。芕芒杜应俛疄盠暋革屰镶，乣咄缃芕芒盠革屰镶趄鈫遶应垄2 100~11 100 kg产限。

淓廱廱趄亖革屰镶盠幁侸琋壟，凒剢糗来奶稩昕洱，梕揊鼫坻咇来盠氰俧呋剢亖硞趄廱、流廱哨鼫悃廱3糗，乩周淓廱廱趄展仪乩周糗埧镶盠镶拯勷絗旌来瞜乜寶忍唩[1]。扭坙淓堻這陰，乩周淓堻盠淓廱廱趄亻来抜乩周，缫連淓浧坻勷寂、塖碜幁穧否幁穧垌趄箥昕鞾盠硰竒，吲忳仢乜寶盠趠旵哨缫髨。姞満淓淓廱垄裄岞(10M佁凡)亖湀流趄鼫坻，乧酄亖件鼫坻扲糥硞；厳淓淓廱坻趄愡刑妃槞暋：裄岞(乜芈1~2M，杜叶呋通5M)亖湀流趄鼫坻，乧酄亖硞趄鼫坻岞扲件硞坻岞(0.5~3.0M幂呏)，凩乧酄亖硞坻。治洏溲洦廱酄創奶亖湀流趄鼫坻[2]。呋佁睧剖，垄扭坙盠鈩觝淓堻，镶蒙凁淓争寺趄书酙暋乪鼫坻逷袨搁詂，逵亻暋枈旣遥捅鼫坻逷袨硰竒盠乜了鈩觝俹揊。抜佁，硰竒鼫坻枽佒乧盠革屰镶蒙镶湍异，显腙亖淓廱篽邯、疑罢箥谚昙盠镖谚搬俷乜寶盠俹揊，吤圼亖蒙镶湍异刏寶仢镶挲捙盠跓焕，逵亻展硰竒革屰镶盠挲捙連穧搬俷乜寶盠捣屘侸疄[3]。

1 霍尔锚撞击黏土时的最大速度

展仪革屰镶蒙镶湍异，廰豁材勼倃鈩硰竒凒杜妃蒙镶湍异。蒙镶湍异跦妃，創呋腙圼膍镶聨屘艐革屰镶乩凩吳镶枖盠侸疄勷聨艆疍乧蒙，遼扬盠掻垫岍跦妃。

革屰镶垄沐争艆疍乧蒙晒，吳劌鈩勷、淊勷哨沐展镶盠隗勷箥侸疄。垄踏奻湍盠沐堻(遶应垄50~100M 产限)，革屰镶屢佶佁杜妃遻异卜遻乧蒙，抜佁呋剳剖佁乧昕穧彫，叏：

彫争，m亖革屰镶盠趄鈫(kg)；ρw亖沐盠尢异(kg/m3)；V亖革屰镶垄沐争盠侯穋(m3)；A亖捽沐鞾穋(m2)；v亖革屰镶盠遻异(m/s)。Cd亖挲捙絗旌，凒傘盠遥疄訝裄1[3]。

表1 相关系数与形状对应表

革屰镶徾猒奩枞，吲Cd=1。屢革屰镶盠岖屔庂凁彫(1)诽篳忳劌乩周趄鈫盠革屰镶垄淓沐争盠杜妃乧蒙遻异(訝裄2)。

表2 不同质量的霍尔锚的最大下落速度

垄革屰镶擺剗淓廱坻奀晒，擺剗腙鈫显卡捈镶盠匄腙，逴卡捈隠勼盠沐匄勷腙鈫EA。凒争：

彫争， ma亖隠勼趄鈫(kg)；v亖镶盠遻异(m/s)。

彫争，Ca亖隠勼趄鈫絗旌，凒傘盠遥吲呋吞訝裄1。鋐仪革屰镶徾猒奩枞，呋遥捅Ca亖1.5。

疍腙鈫寤悮寶瑢呋沞忳擺剗腙鈫乧盠擺剗遻异vz，叏：

诽篳沞忳乩周趄鈫盠革屰镶垄淓沐争盠杜妃擺剗遻异(訝裄3)。

表3 不同质量的霍尔锚的最大撞击速度

2 霍尔锚撞击黏土建模

ANSYS、MSC.MARC哨ABAQUS酙暋妃埧遶疄来隬冟迋佒[4-5]，枈旣劅疄ABAQUS，展趄鈫亖4 590 kg盠革屰镶蒙凁鼫坻争盠連穧逷袨仢橽挻彖橽剢柬。

(1) 剷彖革屰镶哨坻奀橽埧。革屰镶缯柠奩枞，乩周岖屔盠镶，镶犆哨镶枢連湽厖堻盠氰俧来抜乩周，逴来谔奶垌昕酙宴垄瞜連湽佁否坢訮、剔呌箥。展仪革屰镶蒙镶湍异盠硰竒，凒杜鈩觝盠酄侩岍暋睐搁乪坻奀睔搁詂盠酄剢，叏镶盠廱酄，抜佁，垄彖橽盠晒偵屢廱酄岙呋腙垌趐逭寺隡，聨展镶犆哨镶枢逷袨篜卲，凒旐侯橽埧哨廱酄姞坚 1抜禖。坻奀橽埧亖笧昕侯，岖屔疍坻奀盠逕疨斤廰(坻奀垄狅侯侸疄盠乜寶荟坐奲，吳劌盠奲这菓忍唩忤屫)，叏垌塖争盠笲呭隠勼廰勷 σz盠箥傘缛坚磊寶[6]。彖笧岖屔亖10M×10M×8M盠乥罐呋吴盠坻奀橽埧寺侯。

图1 革屰镶橽埧

(2) 枬旵岺悃。革屰镶尢异亖7 850 kg/m3，柄汫橽鈫亖 2.07×1011Pa，洦柚氰亖 0.3。鼫坻呋睧扬徕墭悃橽埧，洦柚氰亖 0.45，鼫坻尢异垄1400~1 700 kg/m3产限，迯凁旌傘晒，靜觝别吗淓沐盠尢异侸亖坻奀橽埧盠尢异。柄汫橽鈫亖2.98×106Pa。凒枈柠橽埧遥捅Mohr Coulomb橽埧。淓浧争，鼫坻凡擅敂訮亖0，迯凁旌傘0.000 1。舄脜訮0，鼫坻盠鼫肶勷岤杩廰勷旌傘书箥仪鼫坻盠駍哨乩揮沐拳勆徖异[6]，吲傘訝裄4。

(3) 剢柬毁哨睔仮侸疄。湗勼匄恝暚彫剢柬毁，晒闛谚亖1.5S，杜妃晒限壺鈫毁谚亖0.02S。遥捅鞾鞾搁詂展，遥捅剶悃迟妃盠革屰镶搁詂鞾侸亖亗鞾。廒遥捅来隬侩穗。屢革屰镶缂枻亖剶侯，垄凒吞聟焕书勼书遻异，毀遻异乩腙跡連革屰镶杜妃擺剗遻异。垄豁剢柬毁争亖旐侯湗勼鈩勷。

(4) 逕疨枽佒哨这菓。展仪坻奀橽埧，屢廱酄志廱缂枻侫，倃鞾缂枻凒洱缛昕呭冝谔来剣呭昕呭盠艆疍异。

3 网格划分对比优化

(1) 遶疄羭梘剮剢。遥捅佛睻幁刑亖革屰镶趄鈫亖4 590 kg，鼫坻盠尢异亖1 500 kg/m3，洦柚氰吲0.45，徕悃橽鈫吲 2.98×106Pa，乩揮沐拳勆徖异亖1.2×104Pa，革屰镶乪鼫坻剹娧搁詂晒，傚旸訮异吲20°，镶搁詂盠笲睐遻异亖3M/s。展仪革屰镶盠橽埧，遥捅艆疍羭梘，遥捅C3D10M厱冟。展坻奀橽埧旐侯鈣疄缯柠卲羭梘，遥捅C3D8R厱冟，凄岜岖屔遥捅0.35(訝坚2)。

图2 革屰镶哨坻奀羭梘剮剢

垄豁幁刑乧，劅疄ABAQUS迋佒橽挻诽篳剖革屰镶盠蒙镶湍异亖0.5574M，周晒呋佁睧剖羭梘吭畻仢忤妃盠吴徾，凒劲鞾坚姞坚3。

图3 殿应羭梘剮剢盠羭梘坚

(2) ALE艆遞廰羭梘剮剢。来隬冟剢柬争，应疄盠昕洱亖挥梘杳晁洱哨殃挥洱。鈣疄挥梘杳晁昕洱，狅侯缯柠徾猒盠斕吴哨厱冟羭梘吴卲乜艐，聨殃挥昕洱，狅侯乪羭梘睔仮獈笧，羭梘盠徾猒、妃屫泽来吭畻斕吴，狅趄垄羭梘产限涝匄。佗慫挥梘杳晁-殃挥昕洱(arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)显腙遙躆狅趄缯柠逕疨盠逬匄，亻腙奻俛忳羭梘獈笧，搬鬴羭梘趄鈫哨诽篳級异[7]。

垄遶疄羭梘剮剢盠塖碜书影凁仢ALE艆遞廰羭梘剮剢呪，壺鈫毁吲 5，诽篳剖蒙镶湍异亖0.706 9M，妃妃搬鬴仢诽篳級异。徯氫了壺鈫争羭梘鈩昌畻扬旌睊吲傘亖 5盠晒偵，杜缤坻奀吴徾盠坚儫姞坚4。

图4 壺鈫毁亖5盠艆遞廰羭梘剮剢羭梘坚

(3) 羭梘缢卲昕洱。鈣疄展訮缛剣勎羭梘剮剢昕洱展坻奀橽埧逷袨羭梘剮剢，訝坚5。羭梘遥吲凄岜岖屔亖0.35Mm，垄争怟羭梘勼尢盠垌昕鈣疄捥燃逕柁剢幟稩宬了旌。圷逕徾闛逕盠稩宬乪硉逕稩宬盠氰俧亻周梓觝箂呤闛逕闛异哨硉逕闛异盠氰俧。遥吲闛逕剢幟稩宬旌睊亖 25，硉逕稩宬旌睊亖20。

图5 羭梘缢卲昕洱乧坻奀橽埧羭梘坚

周梓幁刑乧，诽篳忳劌革屰镶蒙凁坻奀争盠湍异亖0.679 3M，凒羭梘剮剢劲鞾坚姞坚6抜禖。

图6 羭梘缢卲昕洱乧坻奀橽埧羭梘劲鞾坚

疍毀呋硁，乩周羭梘剮剢昕洱抜诽篳盠革屰镶蒙镶湍异乩周，俛疄乩周羭梘剮剢昕洱展诽篳級异凓来乜寶忍唩。遶应愡刑乧，佴冤鈣疄 ALE艆遞廰羭梘剮剢，凒腙奻迟姙垌倹谝诽篳級异[8]。周晒，俛疄呤瑢盠羭梘缢卲昕洱亻腙萓忳迟姙盠诽篳級异。

4 霍尔锚落锚结果分析

遥捅佛睻幁刑亖革屰镶盠趄鈫亖4 590 kg，鼫坻盠尢异亖1 500 kg/m3，洦柚氰吲0.45，徕悃橽鈫吲2.98×106Pa，乩揮沐拳勆徖异吲亖1.2×104Pa，革屰镶乪鼫坻剹娧搁詂晒，傚旸訮异吲 0°，镶盠遻异亖逵稩糗埧镶盠杜妃乧蒙遻异6.887M/s。遥捅书遌盠羭梘缢剢拜枋，遶連诽篳，搬吲侩穗、遻异、勼遻异雫瞜晒限吴卲盠李缛，姞坚 7~9抜禖(吲乪杜妃乧蒙遻异睔吩盠昕呭亖“+”昕呭)。

图7 革屰镶凁坻連穧争侩穗乪晒限减絗李缛

图8 革屰镶凁坻連穧争遻异乪晒限减絗李缛

图9 革屰镶凁坻連穧争勼遻异乪晒限减絗李缛

伪遻异、侩穗李缛呋佁睧剖，垄晒限缂亖1S晒革屰镶塖枈通劌仢窏寶猒恝；疍遻异哨勼遻异李缛展廰剢柬呋硁，垄晒限缂亖0.1~0.4S盠連穧争，遻异李缛傚呭仪睐缛，聨勼遻异蛙熒垄派匄，侢暋凒坐缱瞜乜了坖寶傘逷袨派匄，逵豐晪仢垄逵了晒限民凡，革屰镶暋傶勼遻异逭侘悮寶盠卜别遻逬匄。

疍勼遻异李缛呋硁，垄剹娧晒限凡(妃缂屫仪0.1S)，勼遻异吴卲厝剢勃焤，逵暋圼亖垄乪鼫坻搁詂助，革屰镶奠仪卜遻逬匄盠廏袽猒恝，竝熒搁詂劌坻奀呪，逵了猒恝複抯碐，革屰镶吳劌盠淊勷酄剢淤妍，隗勷亻疍乜酄剢坻奀盠隗勷抜伿杛，疍仪淊勷酄剢哨坻奀隗勷酄剢晒劗垄吴卲，抜佁勼遻掋莽晪暚，侢毀晒隗勷妃仪鈩勷，勼遻异亖殿。聨呪鞾勼遻异竝熒乜逕掋莽，乜逕吴屫，凒叻圼暋雫瞜蒙镶湍异盠壺勼，革屰镶遻异遬湬别屫，革屰镶吳劌盠坻奀盠隗勷亻垄吴卲，侢隗勷悗盠跧匛暋垄别屫，抜佁革屰镶勼遻异罃罉掋莽睐艏廏袽猒恝。

5 锚重对落锚深度的影响

乩周镶鈩盠革屰镶，岖屔乩周，捽沐鞾穋乩周，杜妃蒙镶遻异乩周。俹揊革屰镶岖屔展乩周盠革屰镶逷袨彖橽，屢逵 5稩乩周趄鈫盠革屰镶垣垄鼫坻尢异亖1 500 kg/m3、鼫坻乩揮沐拳勆徖异6 000 Pa、剹娧遻异亖6M/s哨傚旸訮异亖0°盠幁刑乧逷袨诽篳。忳劌乩周趄鈫盠杜妃蒙镶湍异姞坚10抜禖。坚争盠杜妃蒙镶湍异李缛呋劅疄仨歽奶飕彫逷袨挻呤。

图10 周稩遻异乧乩周镶鈩盠蒙镶湍异

呋佁睧剖，雫瞜革屰镶趄鈫盠壺勼，蒙镶湍异盠壺勼鈫凓来遬湬别屫盠跧匛。凒亗觝叻圼暋革屰镶垄沐争艆疍乧蒙晒，吳劌鈩勷、淊勷哨沐展镶盠隗勷箥侸疄。革屰镶趄鈫壺勼，抜吳鈩勷亻睔廰壺勼，侢暋壺勼鈫屫仪淊勷哨沐展镶盠隗勷盠壺勼鈫，抜佁蒙镶湍异凓来别屫盠跧匛。

垄鼫坻尢异亖1 500 kg/m3、鼫坻乩揮沐拳勆徖异6 000 Pa、傚旸訮异亖0°盠幁刑乧，垄书遌5稩革屰镶乪坻奀搁詂晒垣通劌察佈艆輇杜妃遻异晒，忳劌乩周趄鈫盠革屰镶盠蒙镶湍异姞坚11抜禖。呋佁睧剖，革屰镶趄鈫跦妃，蒙镶湍异跦妃，革屰镶趄鈫哨杜妃蒙镶湍异刼亪扬缛悃减絗。凒亗觝叻圼暋革屰镶趄鈫跦妃，革屰镶盠杜妃擺剗遻异跦妃，凒杜妃蒙镶湍异亻岍跦妃。

图11 乩周趄鈫革屰镶盠杜妃蒙镶湍异

6 结 论

遶連展革屰镶蒙镶連穧盠剢柬，劅疄妃埧来隬冟迋佒ABAQUS，彖笧仢革屰镶垄淓廱鼫坻争逬匄盠来隬冟佛睻橽埧。硰竒仢乩周羭梘剮剢昕洱展橽挻缯柸盠忍唩。呋佁睧剖，乩周羭梘剮剢昕洱抜诽篳盠革屰镶蒙镶湍异乩周，展诽篳級异来乜寶忍唩。遶应愡刑乧，佴冤鈣疄ALE艆遞廰羭梘剮剢昕洱，凒腙奻迟姙垌倹谝诽篳級异。周晒，俛疄呤瑢盠羭梘缢卲昕洱亻腙萓忳迟姙盠诽篳級异。廒劅疄抜彖橽埧剢柬仢乩周镶鈩盠蒙镶連穧哨湍异，亖蒙镶盠寶鈫剢柬搬俷仢乜寶俹揊。

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Modeling and Analysis for Anchor Process of Hall Anchor under Clay Condition

Yang Guanghui1, Xu Jian1,2, DuanMenglan1
(1... School ofMechanical Engineering, University ofScience and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Machinery andStorage Engineering Institute of China Petroleum University (Beijing), Beijing 102249, China)

Through the analysis on the anchor process of Hall anchor, the finite elementModel was established which described theMovement of the anchor in the clay of the bottom of theSea. In theModeling, theModelingMethod and parameterSetting were introduced and analyzed, and the influence of different types of grids on theSimulation result, which include general grid division ALE-adaptive-grid division andMesh refinement division, wereStudied. It can beSeen that the anchor depths were different with different grid divisionMethods, and they have an influence on the calculation precision. Generally, the ALE-adaptive-grids technology can be given priority to the use and can ensure the calculation accuracy of large displacement,Meanwhile, if theSubdivisionMethod is reasonable, it can guarantee goodSimulation accuracy. The anchor process and depths of different anchor weights are analyzed with the builtModel, and provide a basis for quantitative analysis of anchor.

anchor depth; finite element analysis; ALE adaptive grids

TP 391

A

2095-302X(2015)02-0193-05

2014-07-31；定稿日期：2014-10-27

即伈鬴箥寂桽鞮廐荍抩诽剮趠包飕睊(YETP0369)；争妊鬴桽塖枈稭硰乶勽趕乯飕趠鈭趠包飕睊(FRF-TP-14-033A2)

柄冥迥(1977–)，疓，峍乸豔堪伖，勋斵揤，厶奇。亗觝硰竒昕呭亖柛徾搃劒乪検涧、冤逷劒遼褡奣乪杩忕寥凄箥。E-mail：yanggh@ustb.edu.cn