一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚

1.本发明涉及海洋工程技术领域，具体而言，涉及一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚。


背景技术：

2.随着对深海资源的利用和深海空间的开发，中、大型海洋浮式平台如海洋油气开采平台、海上机场和人工浮岛等的系泊系统成为关键技术。当前，此类工程的作业水深逐渐加大，新型的绷紧式系泊系统逐渐取代传统的悬链式系泊系统并被广泛应用，同时对锚的抗拔性能和深水安装性能也提出了更高的要求。已有的典型深水锚固结构包括吸力锚、拖曳嵌入式板锚、吸力嵌入式板锚和重力贯入锚。作为最新发展的深海锚泊技术，重力贯入锚安装简单便捷、成本低、安装定位精准，无需外力的驱动即可在自身重力作用下在水中自由下落，并贯入海床土中一定深度，是目前最具前景的深海系泊基础。当前的典型重力贯入锚包括：深水贯入锚、鱼雷锚和全向承载锚，其中，全向承载锚具有以下缺点：水中下落的终端速度小，方向稳定性差；土中初始贯入深度较小，下嵌性能、承载性能有待提高；系缆点固定，适用性差；只有一根刚性加载臂，受力不均匀。因此，研发兼具优良的深水安装性能和抗拔承载性能的锚固结构具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，用于获取一款兼具优良的深水安装性能和抗拔承载性能的锚固结构。
4.为了实现上述技术目的，本发明提供了一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，包括尾部环翼、锚身、可调节的双柔性锚胫和可调节的系缆点。其中：尾部环翼，与尾部锚板粘连，用于保证重力贯入锚在水中下落过程中具有良好的方向稳定性，并在重力贯入锚撞击海床面的瞬时受到的冲击力作用下与重力贯入锚分离，并漂浮到海面上；变直径锚轴，用于将尾部锚板、头部锚板、中部锚板、两个刚性加载装置贯穿连接，形成重力贯入锚的锚身，其中，中部锚板与尾部锚板、头部锚板之间分别设置有刚性加载装置；刚性加载装置包括与变直径锚轴转动连接的加载环、与加载环固定连接的加载臂，其中，加载臂用于连接柔性锚胫，两个刚性加载装置沿锚轴上下对称分布；两条柔性锚胫由第一柔性锚胫、第二柔性锚胫组成，用于分别连接两个刚性加载装置的加载臂，其中，第一柔性锚胫与第二柔性锚胫通过系缆点相连接，系缆点为外荷载的作用点，与缆绳直接相连；第一柔性锚胫和第二柔性锚胫的长度可调节，系缆点的位置可调节，并存在不同安装环境下相应的最佳系缆点；两个刚性加载装置与两条柔性锚胫、系缆点共同构成重力贯入锚的加载机构。
5.优选地，变直径锚轴在贯穿连接中部锚板的位置具有第一直径和第二直径，第一直径对应中部锚板的外层夹板，第二直径对应中部锚板的中间板，外层夹板为靠近头部锚板的一测，中间板为靠近尾部锚板的一测，第一直径大于第二直径。
6.优选地，重力贯入锚的实际尺寸可根据系泊浮体进行调节，整体长度为1-15m，质量为0.06-202吨。对于9.26m长的锚：重力贯入锚的质量为47吨；头部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.18m；中间锚板长为4m，最宽处为1.98m，最薄处为0.06m，最厚处为0.18m；尾部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.06m。
7.优选地，重力贯入锚的设计、安装及承载计算方法，包括以下步骤：基于系泊浮体，确定重力贯入锚的设计承载力，并获取重力贯入锚的锚身尺寸；基于设计承载力、锚身尺寸和安装环境，依据最佳系缆点的判断标准和系缆点效应经验公式，确定最佳系缆点的位置及柔性锚胫的长度；基于优化后的最佳系缆点位置和海床土性质，依据重力贯入锚的拖曳效应经验公式，确定重力贯入锚在拖曳安装阶段的安装参数，包括重力贯入锚的土中初始埋深和加载条件，其中，加载条件，包括安装船的拖曳速度、安装缆绳的加载角度、缆绳综合参数；基于土中初始埋深，获取重力贯入锚在重力贯入阶段的安装参数，包括土中初始贯入深度、水中入土速度以及水中安装高度；基于重力贯入锚的实际安装环境及水中安装阶段的安装参数，包括水中入土速度以及水中安装高度，依据环翼效应水动力性能经验公式，确定满足安装要求的最优环翼尺寸；上述步骤完成重力贯入锚的设计、安装及承载。
8.优选地，最佳系缆点位置依据重力贯入锚的下嵌性能和最大埋深损失来确定，其中，下嵌性能用于表示在超载条件下，锚不被拔出，反而在土中嵌入得更深的特性；最大埋深损失用于表示锚在旋转阶段产生的最大埋深差； 考虑系缆点效应的下嵌性能的经验公式为：
9.考虑系缆点效应的最大埋深损失的经验公式为：
10.其中，为系缆点位置参数；为重力贯入锚的下嵌角；为重力贯入锚的最大埋深损失。
11.优选地，重力贯入锚的拖曳效应，用于表示在安装或工作状态中，锚在外荷载的作用下被拖曳而产生旋转、上拔、下嵌或拔出的运动；通过重力贯入锚的最大埋深损失表征拖曳效应，拖曳效应的经验公式为：
12.其中，为重力贯入锚的最大埋深损失； 为拖曳速率，为加载角度，为锚尖的初始埋深，k为土体剪切强度梯度， 为缆绳综合参数。
13.优选地，最优环翼尺寸依据重力贯入锚的水动力性能来确定，其中，水动力性能包
括重力贯入锚的终端速度和方向稳定性，其中，终端速度用于表示在具有足够的安装高度的前提下，重力贯入锚在水中下落阶段达到的最大下落速度；方向稳定性用于表示重力贯入锚在水中下落时抵抗偏转的能力； 考虑环翼效应的终端速度的经验公式为：
14.考虑环翼效应的方向稳定性的经验公式为：
15.其中，r、h和t分别代表尾部环翼的半径、高度和厚度；为重力贯入锚的终端速度；为重力贯入锚的回复力矩系数。
16.优选地，重力贯入锚的具体工程应用，包括：安装阶段、承载阶段和回收阶段，其中：安装阶段：包括重力贯入和拖曳安装，其中，重力贯入，包括水中自由下落和土中初始贯入，通过安装船将重力贯入锚运至指定的安装位置后，将尾缆与锚相连，使用尾缆将锚下放至水中指定高度，使其处于垂直状态并释放，锚在水中自由下落，到达海床土体表面时获得一定的撞击速度并贯入海床土中一定深度，完成初始安装；尾部环翼在锚撞击海床面的瞬时受到的冲击力作用下与锚分离，并漂浮到海面上；拖曳安装，包括：完成初始贯入后，安装船一边缓慢地往远离锚的方向移动，一边释放出安装缆，当释放出足够长的安装缆后，安装船加大安装缆上的拉力，通过系缆点对锚施加荷载，锚在安装缆的拖曳作用下运动，直至达到设计承载力，完成土中第二个安装阶段；承载阶段：通过系泊缆绳将重力贯入锚与海上浮体相连，进入正常工作状态；回收阶段：通过水下机器人将回收缆与锚后部的尾缆相连，使用安装船拖曳即可，漂浮至海面的尾部环翼打捞回收即可。
17.本发明公开了以下技术效果：本发明既利于提高安装阶段的方向稳定性，又有更好的承载性能。在海床土中具有贯入深度大、有效承载面大、受力更加均匀等优势，因而具备高承载性能、更好的抗超载能力及抵御极端荷载的能力。此外，尾部环翼保证锚具有良好的方向稳定性，并可根据安装要求调节前后两条柔性锚胫的长度及系缆点的位置，以适应多种安装环境。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明所述的带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚的结构示意图；图2是本发明所述的带有环翼的重力贯入锚的结构示意图；图3是本发明所述的重力贯入锚的设计流程图；图4是本发明所述的考虑环翼效应的重力贯入锚的水动力性能经验公式计算值和数值模拟结果的比较示意图，其中，图4(a)为终端速度的比较图，图4(b)为回复力矩系数的比较图；
图5是本发明所述的考虑系缆点效应的重力贯入锚的经验公式计算值和数值模拟结果的比较示意图，其中，图5(a)为下嵌性能的比较图，图5(b)为最大埋深损失的比较图；图6是本发明所述的考虑拖曳效应的重力贯入锚的经验公式计算值和数值模拟结果的比较示意图；图7是本发明所述的重力贯入锚和全向承载锚在土中的运动轨迹曲线，其中，图7(a)为本发明所述重力贯入锚的土中运动轨迹图，图7(b)为全向承载锚的土中运动轨迹图；图8是本发明所述的带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚的无标号结构示意图；其中，1是尾部环翼，2是尾部锚板，3是中部锚板，4是头部锚板，5是变直径锚轴，6是刚性加载装置，7是第一柔性锚胫，8是第二柔性锚胫，9是系缆点，10是缆绳。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1-8所示，本发明提供了一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚,集成了拖曳嵌入式板锚和重力贯入锚的综合性能，既利于贯入安装，又有更好的承载性能，在海床土中具有更大的埋深、更大的有效承载面，受力更加均匀，因而具备高承载性能、更好的抗超载能力和抵御极端荷载的能力；此外，尾部环翼保证锚具有良好的方向稳定性，并可根据安装要求调节前后柔性锚胫的长度及系缆点的位置，以适应多种安装环境。
22.实施例1：如图1所示，重力贯入锚包括尾部环翼1、长度可调节的双柔性锚胫和位置可调节的系缆点9、头部锚板4、中部锚板3、尾部锚板2、变直径锚轴5、上下两组对称分布的（加载环及加载臂）刚性加载装置6。尾部环翼1由三个支撑板和外部圆环构成，三个支撑板与尾部锚板粘连。双柔性锚胫由第一柔性锚胫7、第二柔性锚胫8两条柔性锚胫构成，两条柔性锚胫一端连接加载臂，另一端相连于系缆点9。头部锚板6由三组夹角为120度的多层板构成，每组板含有三层等厚的单层板，并用螺栓连接固定。中部锚板3由三组夹角为120度的大板构成，每组大板由中间板和外层夹板组成，并用螺栓连接固定。尾部锚板2由三组夹角为120度的单层板构成。上中下三部分锚板之间用变直径锚轴5连接。上下两个轴上各设一组加载环及加载臂，加载臂上设置锚眼，以连接柔性锚胫。加载环与轴之间留有空隙，使加载臂可以带动加载环绕轴360度旋转。加载环形状为u形，一端封闭另一端做开口处理，并与加载臂中通连接。
23.所述重力贯入锚的实际尺寸可根据系泊浮体进行调节，整体长度为1-15m，质量为0.06-202吨。对于9.26m长的锚，所述重力贯入锚的质量为47吨；头部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.18m；中间锚板长为4m，最宽处为1.98m，最薄处为0.06m，最厚处为0.18m；尾部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.06m。
24.尾部环翼1采用轻质、廉价的塑料加工而成，不仅有助于降低锚整体的重心位置、
有效降低造价，也利于安装完毕后的回收。尾部环翼1可以保证锚在水中下落过程中具有良好的方向稳定性，从而实现锚的精准定位和成功安装。两条柔性锚胫设计为前短后长的形式，使得锚在土中受到拉拔荷载时可以旋转、继续下嵌，具有抗超载性能。前、后两条柔性锚胫的实际长度及系缆点的位置可以根据安装要求进行相应调节，以适应多种安装环境。加载环设计为u形，一端封闭另一端做开口处理，加载环与加载臂之间中通相连，使得锚在海床土中运动时得以排出泥沙颗粒，以免加载环与轴卡死。加载臂可带动加载环绕轴360度旋转，使得锚可承受任意方向的荷载。锚板采用分层设计，头部为多层板、尾部为单层板、中部则采用夹板设计，使得锚整体重心下移，提高在水中运动时的方向稳定性。变直径锚轴的设计，进一步降低锚的重心，提高其方向稳定性。锚板侧边缘整体呈流线形，以减小锚在水中所受到的水流拖曳力，提高在水中的下落速度。除锚头锚尾两个尖端外，其余尖角处均做磨圆处理，以保证运输、使用过程中的安全性。
25.实施例2：如图3所示为本发明所述重力贯入锚的设计、安装及承载计算流程图，具体包括以下过程： 1.根据系泊浮体，确定本发明所述重力贯入锚的设计承载力和锚身尺寸。
26.2.根据设计承载力、锚身尺寸和安装环境，并依据最佳系缆点的优化判断标准和系缆点效应经验公式，确定最佳系缆点的位置及柔性锚经的长度。
27.3.根据安装海域的海床土性质、优化后得到的最佳系缆点位置，结合拖曳效应经验公式，确定拖曳安装阶段的安装参数，包括设计土中初始埋深、拖曳安装时的加载条件（包括安装缆绳的加载角度、安装船的拖曳速度和缆绳综合参数）； 4.根据设计土中初始埋深，确定重力贯入阶段的安装参数，包括设计土中初始贯入深度、设计水中入土速度和设计水中安装高度：根据设计土中初始埋深确定设计土中初始贯入深度（初始贯入深度要不小于初始埋深）；根据设计土中初始贯入深度确定设计水中入土速度（设计水中入土速度要不大于终端速度）；根据设计水中入土速度，确定设计水中安装高度； 5.根据实际安装环境及水中安装阶段的安装参数，包括设计水中入土速度和设计水中安装高度，依据考虑环翼效应的水动力性能经验公式，确定满足安装要求的最优环翼尺寸（保证终端速度大于设计入土速度、方向稳定性最佳）；上述步骤1至5完成所述重力贯入锚的设计、安装及承载计算。
28.在进行新型重力贯入锚的设计时，需要针对性获取新型重力贯入锚的经验公式，包括考虑环翼效应的新型锚的水动力性能经验公式，系缆点效应经验公式，以及拖曳效应经验公式；以下展开叙述各个经验公式的具体实现过程以及与数值模拟结果的对比结果。
29.一、考虑环翼效应的新型锚的水动力性能经验公式：终端速度是指，假设具有足够的安装高度，新型锚在水中下落阶段（水中安装阶段）能达到的最大下落速度。方向稳定性是指，新型锚在水中下落时抵抗偏转的性能。
30.基于cfd分析结果，带有任意尺寸环翼的新型锚的水动力特性可由以下环翼效应水动力性能经验公式计算：
31.其中，公式（1）用于计算新型锚在水中下落时的终端速度；公式（2）用于计算表征方向稳定性的回复力矩系数；r、h和t分别代表环翼的半径、高度和厚度；c1–
c4是公式系数，其具体值列于表1。
[0032][0033]
公式（1）的相关系数r2为0.9894，公式计算值和有限元模拟结果的平均相对误差为1.76%。公式（2）的相关系数r2为0.9891，公式计算值和有限元模拟结果的平均相对误差为12.51%。数值模拟结果和经验公式计算结果的比较见图4。
[0034]
上述经验公式提供了一种简单高效的方法，可替代实验室试验和数值模拟试验，用于快速评估新型锚在水中安装阶段的水动力性能，具体应用方法如下：（1）对于给定的任意尺寸的环翼，可以计算得到新型锚的终端速度和回复力矩系数。
[0035]
（2）可以计算得到环翼尺寸对新型锚的综合影响效应。
[0036]
（3）可以分别计算得到使新型锚具有最大终端速度、最佳方向稳定性的环翼尺寸。通过综合评估，确定使新型锚具有最佳水动力性能的环翼尺寸（即最优环翼）。
[0037]
（4）可用于快速平衡不同安装条件下的终端速度和方向稳定性。例如：对于有洋流和内波的恶劣环境下的海域，方向稳定性是水动力性能的主要评估指标，因为好的方向稳定性能够保证新型锚的成功安装；而对于坚硬的海床土，终端速度则成为水动力性能的主要评估指标，因为较高的终端速度能够确保锚到达海床土表面时具有高的撞击速度，从而达到较深的贯入深度。
[0038]
二、最佳系缆点经验公式：下嵌性能是指，在超载条件下（锚实际受到的外荷载超过其最大承载力），新型锚不被拔出，反而在土中嵌入地更深的特性。有限元模拟结果显示，在合适的系缆点位置下，新型锚展现出下嵌行为，具有下嵌性能（即抗超载性能）。最大埋深损失是指，锚在旋转阶段产生的最大埋深差。
[0039]
最佳系缆点的优化及判断标准：第一步：根据系泊浮体的尺寸，确定新型锚的设计承载力值f
design
。
[0040]
第二步：计算当前系缆点状态下，新型锚的最大抗拔承载力f
max
，并与设计承载力标准进行比较。
[0041]
当f
max
＜f
design
，则未达到设计承载力值，该系缆点舍弃；当f
max
≥f
design
，则达到设计承载力值，该系缆点予以考虑，并继续判断。
[0042]
第三步：计算当前系缆点状态下，新型锚的下嵌角、最大埋深损失及两条柔性锚胫的总长度。
[0043]
第四步：使新型锚具有最小下嵌角度（最佳下嵌性能）、相对较小的埋深损失和较短的柔性锚胫总长度的系缆点为最佳系缆点。
[0044]
基于有限元分析结果，任意系缆点oi（en, eh）位置下的新型锚的下嵌性能和最大埋深损失，可分别由下列系缆点效应经验公式计算：
[0045]
其中，公式（3）用于计算表征下嵌性能的下嵌角；公式（4）用于计算最大埋深损失；为系缆点参数；c1–
c7是公式系数，其具体值列于表2。
[0046][0047]
公式（3）的相关系数r2为0.965，公式计算值和有限元模拟结果的平均相对误差为14.35%。公式（4）的相关系数r2为0.971，公式计算值和有限元模拟结果的平均相对误差为2.17%。数值模拟结果和公式计算结果的比较见图5。
[0048]
上述经验公式提供了一种简单高效的方法，可替代实验室试验和数值模拟试验，用于快速评估新型锚的下嵌性能和旋转性能，具体使用方法如下：（1）对于给定的任意系缆点，可以计算得到新型锚的下嵌角和最大埋深损失。
[0049]
（2）可以计算得到系缆点位置的变化对新型锚的综合影响效应。
[0050]
（3）可以计算得到使新型锚具有最小下嵌角（代表最佳下嵌性能）、最小埋深损失的系缆点位置。并结合系缆点的优化及判断标准进行综合评估，最终确定新型锚的最佳系缆点位置。
[0051]
三、拖曳效应经验公式：拖曳效应是指，在安装或工作状态中，新型锚在外荷载的作用下被拖曳而产生旋转、上拔、甚至下嵌（或拔出）等一系列复杂的运动。具体表现为：（1）在安装过程中，安装船（拖船）与锚相连并向着远离锚的方向运动，在安装缆绳的拖曳力作用下，锚由初始贯入后锚轴近于垂直的状态一边旋转一边被上拔（这一过程又称为旋转阶段）。在旋转阶段，由于锚被上拔而出现锚尖埋深的减小，减小的深度差即为埋深损失。锚在旋转阶段产生的最大埋深差即为最大埋深损失。由土体的线性强度分布规律可知，越深的土体，其剪切强度越大。因此，锚的承载力大小与埋深损失直接相关，埋深损失
越小，锚尖在土中的埋深越大，锚的承载力相对越大，越不易被拔出；埋深损失越大，锚尖在土中的埋深越小，锚的承载力相对越小，越容易被拔出。
[0052]
（2）在正常工作状态下，锚发挥承载作用。然而，海上环境的复杂性使得系泊浮体很有可能会处于极端荷载的作用下，如海上风暴等。在超高速的飓风作用下，系泊浮体发生高速运动，并带动下部的系泊缆绳和锚固结构（新型锚）一起运动。此时，新型锚在上部系泊浮体和系泊缆绳的高速拖曳作用下，会出现旋转和上拔运动，并产生埋深损失。有限元模拟结果显示，在极端荷载的作用下，埋深损失越小，新型锚越不容易被拔出，即抗极端荷载性能越强；埋深损失越大，锚越容易被拔出，即抗极端荷载性能越差。
[0053]
基于有限元分析结果，任意安装或工作条件下的新型锚的拖曳效应，可由下述拖曳效应经验公式计算：
[0054]
其中，为新型锚的最大埋深损失；为拖曳速率（即加载率），为加载角度，为锚尖的初始埋深，k为土体剪切强度梯度，为缆绳综合参数；是公式系数，其具体值列于表3。
[0055][0056]
公式（5）的相关系数r2为0.996，公式计算值和有限元模拟结果的平均相对误差仅为1.99%，数值模拟结果和公式计算结果的比较见图6。
[0057]
上述经验公式提供了一种简单高效的方法，可替代实验室试验和数值模拟试验，用于快速评估新型锚在任意安装或工作条件下的拖曳效应，具体使用方法如下：（1）对于任意给定的安装或工作条件，包括给定的拖曳速率（）、加载角度（）、锚尖初始埋深（）、土体强度梯度（k）和缆绳参数（），可以计算得到新型锚的最大埋深损失。并由此评估新型锚在外荷载的拖曳作用下的运动情况。
[0058]
（2）可以计算得到极端荷载作用下（即高加载率，如海上风暴）新型锚的最大埋深损失。从而评估新型锚的抗极端荷载性能。
[0059]
（3）可以计算得到使新型锚具有最小埋深损失的安装及工作条件参数。
[0060]
实施例3：本发明设计的重力贯入锚的具体使用方法如下：重力贯入锚的具体工程应用，包括：安装阶段、承载阶段和回收阶段，其中：安装阶段：包括重力贯入和拖曳安装，其中，所述重力贯入，包括水中自由下落和土中初始贯入，通过安装船将所述重力贯入锚运至指定的安装位置后，将尾缆与锚身上的吊环相连，使用尾缆将锚下放至水中指定高度，使其处于垂直状态并释放，锚在水中自由下落，到达海床土体表面时获得一定的撞击速度并贯入海床土中一定深度，完成初始安装；尾部环翼在锚撞击海床面的瞬时受到的冲击力作用下与锚分离，并漂浮到海面上；
所述拖曳安装，包括：完成初始贯入后，安装船一边缓慢地往远离锚的方向移动，一边释放出安装缆，当释放出足够长的安装缆后，安装船加大安装缆上的拉力，通过系缆点对锚施加荷载，锚在安装缆的拖曳作用下运动，直至达到设计承载力，完成土中第二个安装阶段；承载阶段：通过系泊缆绳将所述重力贯入锚与海上浮体相连，进入正常工作状态；回收阶段：通过水下机器人将回收缆与锚后部的尾缆相连，使用安装船拖曳即可，漂浮至海面的尾部环翼打捞回收即可。
[0061]
实施例4：为了验证本发明提出的新型重力贯入锚的有效性，以下分别对其水中安装性能和土中性能进行数值模拟试验和分析。
[0062]
（1）水中安装性能锚在水中下落阶段的水动力特性包括：水流拖曳力及阻力系数、终端速度和方向稳定性。
[0063]
当锚在水中运动时，会受到水流的拖曳阻力，即水流拖曳力，可由公式（6）表示：式中，为水流拖曳力，为水的密度，为锚的正方向投影面面积，为锚的水流拖曳力系数，v为锚的下落速度。其中，水流拖曳力系数与锚的形态和速度有关。
[0064]
由式（6）可知，锚受到的水流拖曳力与其下落速度正相关。假设锚的下落距离足够大，随着锚下落速度的增加，其受到的水流拖曳力不断增大，当水流拖曳力等于锚的浮重时，锚的合力为零，速度将不再增大，此时对应的速度为锚在水中运动的极限速度，即终端速度v
t
，由式（7）表示：式中，m为锚的质量，v为锚的体积。
[0065]
终端速度决定了锚在水中安装阶段能达到的最大速度，因此其直接影响锚在土中的初始贯入深度及后续承载性能。在锚的下落过程中，良好的方向稳定性则能够确保安装定位准确，为后续土中的成功安装奠定基础。
[0066]
基于流体动力学软件fluent16.0，采用静模型分析法研究了本发明提出的重力贯入锚的水动力特性。锚体参数见表4，柔性锚胫参数见表5，数值试验结果见表8。
[0067]
（2）土中性能本发明提出的重力贯入锚在土中的安装过程包括两个阶段：土中初始贯入和拖曳安装。当锚以一定的入土速度到达海床面后，水中安装阶段结束，开始进入土中安装阶段。由于锚在土中受到土的阻力作用，锚的贯入速度逐渐减小直至为零，完成土中的初始安装，此时的入土深度称为初始贯入深度。
[0068]
完成初始贯入后，安装船一边缓慢地往远离锚的方向移动，一边释放出安装缆。当释放出足够长的安装缆后，安装船加大安装缆上的拉力，通过系缆点对锚施加荷载。锚在安装缆的拖曳作用下发生旋转、上拔、下嵌等一系列复杂的行为，直至达到一定的嵌入深度，完成土中第二个安装阶段。
[0069]
基于有限元软件abaqus2016，采用耦合的欧拉-拉格朗日法大变形有限元分析技术（cel法），对本发明提出的重力贯入锚在土中的初始贯入过程和后续旋转下嵌过程进行了数值模拟分析。由于缆绳直径远小于新型锚的尺寸，而其长度远大于锚的尺寸，直接对缆绳建模所需要的土体网格数量极大，计算极其耗时。因而在后续的旋转嵌入过程中，通过用
户子程序vuamp，将缆绳方程进入到cel分析中，以考虑缆绳对锚运动行为的影响。
[0070]
系缆点处拖曳力与拖曳角的关系可由式（8）表示，在数值模拟中采用该关系式来反映缆绳对锚运动行为的影响。式中，为缆绳与土体之间的摩擦系数；为缆绳上任意一点与水平面所成夹角，表示缆绳端阻力系数，常见取值范围为7.6-14；表示缆绳的有效承载系数，对于绳索=1，铁缆=2.5；为缆绳直径；为饱和黏土不排水抗剪强度，可以表达为，为海床面土体强度，k为土体强度梯度。土体参数见表6，缆绳方程参数见表7。
[0071]
（3）数值计算结果分析：基于cfd分析法，分别对本发明所述的重力贯入锚和当前最先进的全向承载锚进行水动力特性数值分析，计算结果见表8。由表8可知，由于板面形状的不同，本发明的重心相对位置低于全向承载锚，因而具有更大的回复力矩系数，代表其具有更好的方向稳定性。相比全向承载锚，本发明所述重力贯入锚的方向稳定性提高15.79%，水中下落时的终端速度提高30.03%，证明本发明的水动力特性得到显著提高。
[0072]
基于有限元软件abaqus2016，采用耦合的欧拉-拉格朗日法大变形有限元分析技术（cel法），对本发明所述重力贯入锚的土中运动进行数值模拟，并与全向承载锚的土中运动进行对比，见图7(b)。首先对本发明的土中运动数值模型进行网格密度考察。径向土体网格在柔性锚胫附近分别取lu/2，lu/4、lu/6，在锚板附近分别取b/11、b/20、b/30（其中lu为构成柔性锚胫的离散刚体长度，b为锚板宽度），得到mesh5、mesh3、mesh6，土体网格考察方案见表8。由图7(a)可知，随着土体网格的加密，计算结果逐渐趋于收敛。当从mesh3加密至mesh6时，二者系缆点运动轨迹的相对误差为2.1%，认为mesh3的计算结果已收敛。在相同的初始埋深（= 12.21m）、相同的拖曳速度（= 2m/s），并采用相同的土体参数及缆绳方程参数（见表6、表7），当水平拖曳距离达到20m时，本发明的下嵌深度为15.31m，全向承载锚的下嵌深度为13.33m。相比全向承载锚，本发明所述重力贯入锚的下嵌深度提高14.85%，下嵌性能得到显著提升。
[0073]
[0074]
通过对本发明所述重力贯入锚的水中安装特性和土中特性进行数值模拟分析，证明了相比已有的全向承载锚，本发明在性能上得到显著提升。
[0075]
本发明所述的带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，具有以下优点：1.尾部翼环的设计，使锚在水中下落时具有良好的方向稳定性，从而实现锚的精准定位和成功安装。
[0076]
2.位置可调节的系缆点以及长度可调节的双柔性锚胫设计，使本装置具有更好的工程适用性。
[0077]
系缆点位置的不同，直接导致锚在土中的运动轨迹和承载性能的变化。因此，可根据工程实际的需要，针对不同的安装要求，通过调节两根柔性锚胫的长度及比值，得到相应的最佳系缆点的位置，最佳系缆点保证了锚具有最优的下嵌性能和高承载性能，从而可以简单方便地控制锚在海床土中的受力特性、运动轨迹和承载性能。
[0078]
3.对称分布的双加载臂及双柔性锚胫的设计，使板面受力更加均匀，不易破坏。
[0079]
4.前短后长的双柔性锚胫设计，使得锚在完成初始贯入后，在拖曳缆的拉拔作用下能够继续下嵌，从而达到更大埋深，而土体强度随埋深的增大而增大，因此的锚的承载性能可进一步提升。
[0080]
5.变直径锚轴和分层锚板的设计，降低了锚的重心，提高了锚在水中运动时的方向稳定性，保证了入土时定位精准。
[0081]
6.前后对称的翼板形态的设计，保证本发明在土中受荷更均匀，响应更稳定。
[0082]
7.板面面积大，增加了锚与海床土的接触面积，使得锚在海床土中具有更大的有效承载面。
[0083]
8.拥有可360
°
旋转的加载臂，能够承受来自任意方向的荷载。
[0084]
9.具备可抵御灾害条件的特殊能力。受到极端荷载时，可以诱发下嵌行为，达到更大埋深，避免系泊浮体的进一步破坏。
[0085]
10.锚板整体侧边缘流线形设计，减小了锚在水中运动时所受的水流拖曳力，提高了锚的下落速度，达到更大的入土速度，获得更大的初始埋深。
[0086]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0087]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，其特征在于：包括尾部环翼、锚身、可调节的双柔性锚胫和可调节的系缆点，其中：尾部环翼（1），与尾部锚板（2）粘连，用于保证重力贯入锚在水中下落过程中具有良好的方向稳定性，并在所述重力贯入锚撞击海床面的瞬时受到的冲击力作用下与所述重力贯入锚分离，并漂浮到海面上；变直径锚轴（5），用于将所述尾部锚板（2）、头部锚板（4）、中部锚板（3）、两个刚性加载装置（6）贯穿连接，形成所述重力贯入锚的锚身，其中，所述中部锚板（3）与所述尾部锚板（2）、所述头部锚板（4）之间分别设置有所述刚性加载装置（6）；所述刚性加载装置（6）包括与所述变直径锚轴（5）转动连接的加载环、与所述加载环固定连接的加载臂，其中，所述加载臂用于连接柔性锚胫，两个刚性加载装置（6）沿锚轴上下对称分布；所述两条柔性锚胫由第一柔性锚胫（7）、第二柔性锚胫（8）组成，用于分别连接两个所述刚性加载装置（6）的所述加载臂，其中，所述第一柔性锚胫（7）与第二柔性锚胫（8）通过系缆点（9）相连接，所述系缆点（9）为外荷载的作用点，与缆绳（10）直接相连；所述第一柔性锚胫（7）和第二柔性锚胫（8）的长度可调节，所述系缆点（9）的位置可调节，并存在不同安装环境下相应的最佳系缆点；所述两个刚性加载装置（6）与两条柔性锚胫、系缆点（9）共同构成所述重力贯入锚的加载机构。2.根据权利要求1所述一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，其特征在于：所述变直径锚轴（5）在贯穿连接所述中部锚板（3）的位置具有第一直径和第二直径，所述第一直径对应所述中部锚板（3）的外层夹板，所述第二直径对应所述中部锚板（3）的中间板，所述外层夹板为靠近所述头部锚板（4）的一测，所述中间板为靠近所述尾部锚板（2）的一测，所述第一直径大于所述第二直径。3.根据权利要求2所述一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，其特征在于：所述重力贯入锚的实际尺寸可根据系泊浮体进行调节，整体长度为1-15m，质量为0.06-202吨，对于9.26m长的锚：所述重力贯入锚的质量为47吨；所述头部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.18m；所述中间锚板长为4m，最宽处为1.98m，最薄处为0.06m，最厚处为0.18m；所述尾部锚板长为1.56m，最宽处为1m，厚度为0.06m。4.根据权利要求3所述一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，其特征在于：所述重力贯入锚的设计、安装及承载计算方法，包括以下步骤：基于系泊浮体，确定所述重力贯入锚的设计承载力，并获取所述重力贯入锚的锚身尺寸；基于所述设计承载力、所述锚身尺寸和安装环境，依据最佳系缆点的判断标准和系缆点效应经验公式，确定最佳系缆点的位置及柔性锚胫的长度；基于优化后的最佳系缆点位置和海床土性质，依据所述重力贯入锚的拖曳效应经验公式，确定所述重力贯入锚在拖曳安装阶段的安装参数，包括所述重力贯入锚的土中初始埋深和加载条件，其中，所述加载条件，包括安装船的拖曳速度、安装缆绳的加载角度及缆绳
综合参数；基于所述土中初始埋深，获取所述重力贯入锚在重力贯入阶段的安装参数，包括土中初始贯入深度、水中入土速度以及水中安装高度；基于所述重力贯入锚的实际安装环境及水中安装阶段的安装参数，包括水中入土速度以及水中安装高度，依据环翼效应水动力性能经验公式，确定满足安装要求的最优环翼尺寸；上述步骤完成所述重力贯入锚的设计、安装及承载。5.根据权利要求4所述一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，其特征在于：所述最佳系缆点位置依据所述重力贯入锚的下嵌性能和最大埋深损失来确定，其中，所述下嵌性能用于表示在超载条件下，锚不被拔出，反而在土中嵌入得更深的特性；所述最大埋深损失用于表示锚在旋转阶段产生的最大埋深差；考虑系缆点效应的下嵌性能的经验公式为：；考虑系缆点效应的最大埋深损失的经验公式为：；其中，为系缆点的位置参数；为重力贯入锚的下嵌角；为重力贯入锚的最大埋深损失。6.根据权利要求5所述一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，其特征在于：所述重力贯入锚的拖曳效应，用于表示在安装或工作状态中，锚在外荷载的作用下被拖曳而产生旋转、上拔、下嵌或拔出的运动；通过所述重力贯入锚的最大埋深损失表征所述拖曳效应，所述重力贯入锚的拖曳效应经验公式为：；其中，为重力贯入锚的最大埋深损失；为拖曳速率，为加载角度，为锚尖的初始埋深，k为土体剪切强度梯度，为缆绳综合参数。7.根据权利要求6所述一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，其特征在于：所述最优环翼尺寸依据所述重力贯入锚的水动力性能来确定，其中，所述水动力性能包括所述重力贯入锚的终端速度和方向稳定性，其中，所述终端速度用于表示在具有足够的安装高度的前提下，所述重力贯入锚在水中下落阶段达到的最大下落速度；所述方向稳定性用于表示所述重力贯入锚在水中下落时抵抗偏转的能力；考虑环翼效应的终端速度的经验公式为：；考虑环翼效应的方向稳定性的经验公式为：；其中，r、h和t分别代表尾部环翼的半径、高度和厚度；为重力贯入锚的终端速度；为重力贯入锚的回复力矩系数。8.根据权利要求7所述一种带有柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，其特征在于：所述重力贯入锚的具体工程应用，包括：安装阶段、承载阶段和回收阶段，其中：
安装阶段：包括重力贯入和拖曳安装，其中，所述重力贯入，包括水中自由下落和土中初始贯入，通过安装船将所述重力贯入锚运至指定的安装位置后，将尾缆与锚相连，使用尾缆将锚下放至水中指定高度，使其处于垂直状态并释放，锚在水中自由下落，到达海床土体表面时获得一定的撞击速度并贯入海床土中一定深度，完成初始安装；尾部环翼在锚撞击海床面的瞬时受到的冲击力作用下与锚分离，并漂浮到海面上；所述拖曳安装，包括：完成初始贯入后，安装船一边缓慢地往远离锚的方向移动，一边释放出安装缆，当释放出足够长的安装缆后，安装船加大安装缆上的拉力，通过系缆点对锚施加荷载，锚在安装缆的拖曳作用下运动，直至达到设计承载力，完成土中第二个安装阶段；承载阶段：通过系泊缆绳将所述重力贯入锚与海上浮体相连，进入正常工作状态；回收阶段：通过水下机器人将回收缆与锚后部的尾缆相连，使用安装船拖曳即可，漂浮至海面的尾部环翼打捞回收即可。

技术总结
本发明公开了一种带柔性锚胫和环翼的重力贯入锚，涉及大、中型海洋浮式平台系泊系统的锚固结构，包括锚身、尾部环翼、可调节的柔性锚胫和系缆点；锚依靠重力在水中自由下落时，尾部环翼用于保持良好的方向稳定性；到达海床面时获得一定速度并贯入海床土中；尾部环翼在锚撞击海床面的瞬时受到的冲击力作用下与锚分离，并漂浮到海面上被回收；之后拉动安装缆，使得锚被拖曳、旋转、继续下嵌；本装置集成了拖曳嵌入式板锚和重力贯入锚的综合性能，既利于贯入安装，又有更好的承载性能，在海床土中具有更大埋深、更大有效承载面和更好的抗超载能力；尾部环翼保证锚具有良好的方向稳定性，并可调节柔性锚胫的长度及系缆点位置，以适应多种安装环境。种安装环境。种安装环境。


技术研发人员：刘海笑 孙婧 杨彦骋
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/6/27