集成在浮动平台上的U型振荡水柱能量采集器的理论建模

《Ocean & Coastal Management》：Theoretical modelling of U-Oscillating Water Column energy harvesters integrated in floating platforms

本研究采用大变形有限元RITSS方法，模拟不同嵌入深度下spudcan的插入与提取过程，揭示其破坏机制与breakout阻力组成，提出考虑深度相关机制的预测方法，为海洋平台安全提供理论支撑。

　　在海洋工程领域，尤其是浅海区域的油气勘探、钻井、井下测试和风力发电机安装等活动中，移动式自升式平台因其良好的环境适应性、简单的结构布局以及高度的可重复使用性而被广泛采用。这些平台通常由一个三角形的浮体结构和三根独立的可伸缩桁架腿组成，每根桁架腿末端安装有被称为“spudcan”（桩靴）的圆形基础。spudcan在平台预载过程中通过平台自重和压载舱的重量被压入海床，以确保足够的承载能力。在完成作业后，平台会下沉至水中，spudcan则依靠平台的浮力被从海床中拔出。然而，在实际操作中，spudcan的拔出过程常面临挑战，如拔出时间过长甚至拔出失败，这通常与所施加的提升力不足有关。

在spudcan的拔出过程中，其遇到的阻力会迅速上升至峰值，这一峰值阻力被称为“突破阻力”（breakout resistance），通常用符号 $Q_{breakout}$ 表示。随着拔出的进行，这一阻力会逐渐减小。整个拔出过程可能持续数小时到两天不等，前提是提升力始终不低于 $Q_{breakout}$。由于软质海洋黏土的低渗透性，这一过程可以视为基本的不排水条件。在不排水条件下，spudcan底部会形成显著的负孔隙水压力，从而产生向下的吸力作用。这种吸力效应与spudcan的嵌入深度密切相关，随着嵌入深度的增加，吸力和突破阻力均会相应增强。此外，剪切力的贡献也取决于周围土壤的破坏机制，而这些机制又与嵌入深度有着紧密联系。

目前，针对spudcan的突破阻力计算主要有两种方法：一种是Purwana提出并由Kohan后续改进的方法；另一种则是根据InSafe JIP（国际自升式平台安全联合计划）指南提供的计算方式。尽管已有研究表明，spudcan的破坏机制在很大程度上受嵌入深度的影响，且InSafe JIP指南根据特定的深度标准对这些机制进行了分类，但这些分类及其对应的定量深度阈值仍需进一步验证。主要原因在于，现有研究多集中于浅层嵌入条件，而对中等深度和深层嵌入情况的定义往往依赖于简化的假设，这些假设尚未得到充分验证。

此外，尽管有限元方法已被广泛用于研究spudcan的破坏机制并量化其突破阻力，但大多数研究采用的是基于小应变假设的“原位固定”方法。这种方法在模拟过程中预先设定spudcan处于目标深度，忽略了实际安装过程中土壤的扰动效应。传统的耦合欧拉-拉格朗日（CEL）大变形方法虽然能够模拟由spudcan安装引起的土壤变形，但其基于总应力框架，无法准确反映孔隙水压力的变化。因此，克服这些技术限制，模拟安装过程，明确不同嵌入深度下的土壤破坏机制，并改进突破阻力的计算方法，成为本研究的核心目标。

本研究采用了一种称为RITSS（Remeshing and Interpolation Technique with Small Strain）的大型变形有限元方法，以模拟spudcan在黏土中的安装与拔出过程。该方法最初由Hu和Randolph于1998年提出，随后在海洋地质工程领域得到了广泛应用。RITSS方法通过动态重网格和插值技术，能够在保持小应变假设的前提下，有效处理大变形问题。这一方法特别适用于模拟spudcan在不同嵌入深度下的土壤破坏过程，以及其对突破阻力的贡献。

为了更深入地理解spudcan拔出过程中的土壤破坏机制，本研究选取了一个直径为6米的spudcan，从1.5倍直径的嵌入深度开始拔出，并分析了在不同提升距离下的阻力变化。研究结果表明，随着spudcan的提升，其底部的土壤破坏机制会发生显著变化，这些变化与嵌入深度密切相关。通过分析土壤速度矢量、归一化垂直土壤速度（相对于spudcan的提升速度）以及相应的破坏模式，研究人员能够识别出不同嵌入深度下的主要破坏机制，并进一步量化其对突破阻力的贡献。

在对突破阻力进行预测时，本研究提出了一种基于力学原理的计算方法。该方法充分考虑了嵌入深度对破坏机制的影响，并结合土壤参数和spudcan的几何尺寸，对突破阻力的各个组成部分进行了系统分析。通过对大量数值模拟数据的拟合，研究人员能够定量地描述这些因素对突破阻力的影响，并建立了一种合理的预测模型。这一模型不仅能够提高对突破阻力的预测精度，还能够为不同嵌入条件下的工程设计和施工提供科学依据。

研究的另一重要发现是，不同嵌入深度下spudcan的破坏机制存在显著差异。例如，在较浅的嵌入深度下，破坏机制可能主要表现为土壤的局部剪切破坏，而在较深的嵌入深度下，破坏机制则可能涉及更复杂的土体流动和孔隙水压力变化。这些机制的变化对突破阻力的组成和数值产生了深远影响，因此需要在工程实践中加以考虑。

为了进一步验证这些结论，本研究进行了系统的参数研究，分析了spudcan直径（从6米到15米）、嵌入深度（可达4倍直径）以及土壤特性对破坏机制和突破阻力的影响。研究结果表明，这些因素在不同程度上影响着突破阻力的大小和分布。例如，随着spudcan直径的增加，其对周围土壤的扰动效应也相应增强，从而导致更高的突破阻力。同样，嵌入深度的增加也会使土壤的破坏机制更加复杂，进一步提高突破阻力。

本研究的成果对于实际工程应用具有重要意义。通过建立一种基于力学原理的预测方法，可以更准确地评估spudcan在不同嵌入深度下的突破阻力，从而优化提升力的设计，减少工程风险。此外，本研究还揭示了不同嵌入深度下的破坏机制变化，为相关工程的设计和施工提供了理论支持。这些研究成果不仅有助于提高海洋工程的安全性和经济性，还能够推动该领域的技术进步。

本研究的作者团队由五位研究人员组成，他们各自在研究中承担了不同的任务。Jin Bao Zhang负责论文的撰写、修订、验证、方法设计和概念提出；Tai Bin Zhang负责软件开发、方法设计、资金获取和数据分析；Zheng Xuan Xu参与了软件开发工作；Ya Gang Tong负责数据管理；Jiang Tao Yi则提供了指导、资源支持、资金获取和数据分析。所有作者均声明不存在任何可能影响研究结果的财务利益或个人关系。

本研究得到了多个资助机构的支持，包括青海省科技部门（项目编号：2025-GX-147）和中国国家自然科学基金（项目编号：52371259）。这些资金的投入为研究的顺利进行提供了重要保障，使得研究人员能够进行高精度的数值模拟和实验分析，从而得出可靠的结论。此外，研究团队还利用了先进的计算技术和实验设备，以确保研究结果的准确性和适用性。

在实际工程应用中，spudcan的拔出过程是一个复杂且关键的环节。由于突破阻力的不确定性，工程设计和施工过程中需要谨慎评估提升力的大小和拔出速度。本研究提出的方法能够为这些评估提供科学依据，帮助工程师更准确地预测突破阻力，从而优化施工方案，提高工程效率。此外，研究结果还能够为相关规范的制定和更新提供参考，推动海洋工程领域的技术发展和标准化进程。

总体而言，本研究通过采用RITSS方法，对spudcan在不同嵌入深度下的破坏机制和突破阻力进行了系统分析。研究不仅揭示了破坏机制与嵌入深度之间的关系，还提出了基于力学原理的预测方法，为实际工程应用提供了重要的理论支持和技术手段。这些成果对于提高海洋工程的安全性和经济性具有重要意义，同时也为未来相关研究奠定了坚实的基础。