基于全局到局部嵌套建模方法的系泊链与海床相互作用的动态耦合机制及参数研究

《Ocean Engineering》：Dynamic coupling mechanism and parametric study of mooring chain–seabed interaction based on a global-to-local nested modeling approach

本研究提出“全局到局部”嵌套建模框架，结合OrcaFlex全局系泊分析与ABAQUS/CEL局部土体相互作用模拟，考虑应变率和应变软化效应对深水锚链-土体动态相互作用的影响，揭示土体变形模式与锚链张力分布规律，为系泊系统安全设计提供理论支撑。

　　

李翔|尹麒麟|李克江|袁志明|周一军

江苏科技大学船舶与海洋工程学院，中国镇江

摘要

在深水系泊系统中，锚链与海底之间的动态相互作用对于控制链位移和系泊锚的承载能力至关重要，但其复杂性给精确模拟带来了巨大挑战。本文提出了一种“从全局到局部”的嵌套建模框架，用于分析在实际海洋载荷作用下的链-土相互作用。首先，建立了一个浮体-系泊-海底的耦合模型，考虑了海底土壤特性对系泊系统的影响。然后，利用耦合模型在截断点处的时变载荷作为边界条件，采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法开发了一个精细的链-土模型，定义了动态系泊过程中土壤的变形模式、链的配置、位移和张力变化。模型间载荷-位移响应的一致性验证了嵌套建模方法的可行性。参数研究表明，应变率效应显著增强了土壤的抗力并影响了土壤的变形模式，而土壤的延展性和敏感性的变化也显著影响了沟槽的形成和系统响应。本研究为深水系泊系统的动态响应的准确评估和安全设计提供了可靠的数值工具和理论基础。

引言

目前，全球海上风电产业正在蓬勃发展。2023年，全球海上风电装机容量增加了10.8吉瓦，相比2022年增长了24%（Musial等人，2023年）。海上风力涡轮机的系泊系统可以确保浮动结构在海上的定位，抵抗恶劣条件，并在相对固定的水域内正常运行（Hall，2013年；Yang等人，2022年）。常见的系泊系统有三种类型，如图1所示：（a）悬链系泊，（b）半张紧系泊和（c）张紧系泊。随着作业水深的增加，系泊方式从悬链系泊过渡到张紧系泊系统（TMS）和半张紧系泊系统（SMS）。TMS和SMS使用链结构将载荷从上部浮动结构传递到下部吸力锚。虽然这两种系泊方式显著提高了系泊性能，但与悬链系泊相比，它们占用的海底面积更小，从而降低了安装和运行的难度（Zhao，2016年）。然而，由于张紧系泊系统的高恢复刚度，这可能导致系泊绳索的张力增加，从而降低安全裕度。半张紧系泊系统的特性介于悬链系泊系统和张紧系泊系统之间（Qiao等人，2012年）。SMS主要应用于深水和超深水环境，深度可达2000米（Qiao等人，2012年；Rui等人，2024年），这对锚的深水安装性能提出了更高的要求。如果这些要求得不到满足，一些系泊锚链可能会埋入海底，与粘土发生强烈而复杂的相互作用，形成沟槽和隧道区域。这种相互作用可能导致粘土强度下降，最终导致系泊系统失效（Arslan等人，2015年；O'Loughlin等人，2015年）。这可能会在海底形成沟槽，从而降低锚的承载能力（Bhattacharjee等人，2014年；Xiong等人，2016年）。因此，海底沟槽的形成和发展对锚系统和上部浮动结构的稳定性有着重要影响。

目前，研究人员对锚链与土壤之间的相互作用进行了广泛研究。Reese和Beard（1973年）基于极限平衡理论，假设锚链仅传递轴向力而不传递弯矩，并将嵌入的锚链离散为一系列零弯曲刚度的弧元素。通过忽略切向土壤阻力和锚链自重的影响，仅考虑正常土壤阻力，从锚链的几何尺寸和土壤参数出发推导出了锚链的力学控制方程。通过迭代计算力学控制方程以满足嵌入锚链的边界条件，最终得到了锚链的张力分布和反悬链形状。Vivatrat等人（1982年）提出了锚链元素的切向和正常力的平衡方程。Neubecker和Randolph（1996年）应用这些方程，并结合锚平衡方程来计算锚链系统的承载能力，考虑了锚链之间的相互作用。随着计算机性能的提高和各种计算方法的快速发展，用于分析系泊动力学的广泛数值研究得到了广泛应用，例如任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法（Wang等人，2018年）、小应变重网格和插值技术（RITSS）方法（Zhou等人，2016年）以及耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法（Zhao和Liu，2013年；Zhang等人，2025年）。

此外，粘土在海洋环境中广泛分布，对海洋工程有着深远的影响（Bhattacharya，2019年；Randolph和Gourvenec，2017年）。关于锚链-土壤相互作用，Zhao等人（2025年）提出了一种数值方法，用于模拟锚链在张力作用下穿过土壤时的相互作用，将链-土相互作用等同于一个非线性弹簧，准确估计了沿嵌入长度的摩擦阻力变化。Zhang等人（2025年）研究了诸如排水剪切强度差异、链直径、链重量以及链与土壤之间的摩擦系数等因素的影响。然而，这两篇文章都没有考虑应变率和应变软化的影响。Zhang等人（2023年）模拟了在系泊链张力作用下的拖锚的嵌入行为，同时考虑了应变软化效应。Zhou等人（2023年）得出结论，粘土的应变率效应和应变软化效应显著改变了土壤剪切强度的分布，从而影响了结构与海底之间的相互作用机制。此外，对于三维沟槽剖面，Rui等人（2023年）开发了一个考虑系泊绳在海底横向运动的三维系泊绳动力学模型，并基于现场数据提出了一个简化的3D沟槽剖面模型。为了准确分析系泊系统的动态响应，Wei（2023年）提出了一个完全耦合的动态响应分析模型，用于循环载荷下的锚链-土壤-系泊系统。然而，目前关于考虑应变率和应变软化效应的锚链与粘土相互作用的研究还很少。此外，以往的锚链-土壤相互作用分析通常集中在靠近海底的锚链上，在锚链截断点施加模拟载荷，考虑了海况。这种方法简单直观，但在实际工程应用中缺乏普遍性，需要更系统和全面的研究。

尽管当前关于锚链-土壤相互作用的研究取得了显著进展，但大多数模型仍然基于简化的静态或准静态载荷假设，未能充分考虑实际海洋环境中系泊系统与水动力之间的耦合机制。这种简化限制了数值模型在实际工作条件下的预测准确性和工程适用性。为了解决这个问题，本文提出了一种“从系统到局部”的嵌套建模框架：通过在OrcaFlex中建立浮体-系泊-海底耦合模型，对系统进行全局动态分析，提取系泊绳截断点处的时变张力数据，并将其作为边界条件导入ABAQUS/CEL模型，从而实现从整体系统响应到局部土壤细行为的跨尺度耦合模拟。该方法充分考虑了实际海洋环境载荷以及土壤的应变率和应变软化效应，系统地揭示了浅水链段中沟槽形成和深水链段中渐进嵌入的动态机制，为深水系泊系统的安全设计和性能优化提供了更可靠的理论和数值基础。

大变形方法原理

在有限元分析中，有两种方法可以描述物体的运动和变形：拉格朗日方法和欧拉方法，如图2所示。锚链与土壤之间的相互作用涉及大变形。仅使用拉格朗日方法会导致网格变形，导致计算结果无法收敛；而仅使用欧拉方法则无法有效跟踪不同材料之间边界的变化。

垫眼处张力的验证

Neubecker和Randolph（1995年）推导出了饱和粘土中垫眼处张力的解析表达式。当锚链与嵌入点处的海底之间的角度为零时，张力可以表示为：

$N_{cl}$表示承载能力系数；$E_n$表示有效承载能力系数；${\mu }_f$表示摩擦阻力与端阻力的比值。由于使用

结果

基于之前的系泊分析和模型验证，本节将通过将OrcaFlex在循环载荷下的力条件纳入ABAQUS的CEL模型来进行详细的参数分析。在研究锚-土相互作用时，选择了与土壤应变软化和应变率相关的参数，包括应变率参数$\mu$、土壤延展性${\xi }_{}$和土壤敏感性$S_{}$。根据Einav提出的速率依赖性和应变软化模型

结论

本研究建立了一个全面的从系统到局部的耦合数值建模和分析框架，实现了从浮体-系泊-海底全局系统的动态响应到锚链与土壤之间详细局部相互作用的多尺度耦合模拟。通过从整体系泊系统模型中提取截断点处的时变边界条件，并将其动态应用于ABAQUS/CEL模型，该研究有效地 bridged 了系统级别

CRediT作者贡献声明

李翔：撰写——原始草案、可视化、验证、软件开发、调查、形式分析、数据管理。尹麒麟：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。李克江：撰写——原始草案、可视化、验证、调查、形式分析。袁志明：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。周一军：形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国际优秀青年科学家研究基金[资助编号W2432030]和江苏省自然科学基金[资助编号BK20190974]的支持。