本发明涉及一种分析方法，更具体的说，是涉及一种钢悬链线立管触地点区域形成的沟槽分析方法。
背景技术：
悬挂在平台和海底设施之间的钢管组成了钢悬链线立管，立管的形状为悬链形，利用柔性接头在平台外侧自由悬挂与平台相链接，免去了传统的液压气动张紧和跨接两个装置，使平台空间更加充足。钢悬链线立管的优点在于成本花费低，漂移和升沉运动的容度对于浮式平台来讲更大，完全不用顶张力补偿，更加适合在高压，高温的介质环境中工作，相比之下，对于深水作业环境钢悬链线立管相比柔性立管与顶张力立管优势明显，是一种深水中的典型立管类型。
触地点是立管最先与海床发生接触的位置，它是悬垂段和流线段的交点。上部浮体在海浪的作用下带动立管发生运动时，触地点一侧的悬空管道会逐渐与海床土体发生接触，整个接触过程中将会产生新的触地点，触地点位置变化的同时也形成了一条具有一定长度的区域，称为触地区。由于触地区内频繁的管土相互作用，将会产生较大的弯曲应力，更容易引起疲劳破坏。因此应该着重研究立管与海床在触地区的相互作用。
钢悬链线立管在触底区域与土体的频繁作用会导致土体的刚度发生衰减，土体进行塑性变形和液化，随后海水会将触地区域内液态的土体冲出并逐渐形成沟槽。开展海床沟槽的基础理论研究对钢悬链线立管的设计与疲劳分析有着十分重要的意义。由于沟槽形成过程中不确定性因素过多，土体对立管的阻力与吸力作用更为复杂，因此沟槽对钢悬链线立管在触地区域的动力响应影响极大。若要开展钢悬链线立管在触地区域的相关问题研究，则必须要研究沟槽对管土作用的影响，对沟槽的形成过程进行研究。
采用常规方法模拟沟槽的计算时长太大，因此需研究不同参数对沟槽形状的影响，并提出加速形成沟槽的参数建议取值，以确定快速形成沟槽的方法。
沟槽的形状会根据环境载荷的不同而发生改变，但需推导一种具有普遍性的沟槽形状公式，以便能够在进行钢悬链线立管设计时直接分析沟槽对立管的疲劳影响，完善立管的整体设计流程。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种钢悬链线立管触地点区域形成的沟槽分析方法，从而可以实现钢悬链线立管触地点区域形成的沟槽分析；通过管土作用下沟槽形成的数值模拟，提出一个包含具体系数建议取值的沟槽快速形成方法；提出一个基于有限元计算的沟槽形状回归公式，从而进行沟槽对立管触地区域的疲劳分析。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的钢悬链线立管触地点区域形成的沟槽分析方法，包括以下步骤：
步骤一，确定加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值：
1)用Orcaflex建立钢悬链线立管、浮体和海床系统的模型，即立管-沟槽模型；
2)采用控制变量的方式对非线性土壤参数进行研究，每一种计算工况相比基础工况只改变非线性土壤参数中的一个有效参数，通过对比计算结果确定非线性土壤参数对沟槽形状的影响；其中，非线性土壤参数包括吸力比例系数fsuc、再嵌入系数λrep、吸力衰减系数λsuc；
3)在非线性土壤参数不同取值的计算工况下，分别对立管-沟槽模型进行动力响应分析，提取沟槽嵌入深度的数值，根据嵌入深度的最大值选取非线性土壤参数的最佳值，作为加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值；
步骤二，根据加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值，计算不同工况下的沟槽形状，回归分析沟槽形状公式，确定沟槽形状公式：
1)假设沟槽形状公式为：
其中，a1、a2、a3均为λ＝Lmax/LT的多次项函数方程，Lmax为沟槽开始点到最大嵌入深度点的水平距离，LT为沟槽开始点到沟槽结束点的水平距离，dmax是沟槽的最大嵌入深度，表示描述点到沟槽开始点的水平距离，是描述点对应的嵌入深度；
2)针对立管-沟槽模型，通过改变水深Δz、立管外径D、立管壁厚wt、悬挂角θHO、抗剪强度变化梯度参数ρ、土体表层抗剪强度su0、垂荡H参数值，设定不同的工况；
3)对设定的不同工况下的立管-沟槽模型进行动力分析，提取沟槽深度嵌入的值；
4)对设定的不同工况中的任一工况，进行数据处理：
按照假设的沟槽形状公式绘制沟槽嵌入深度曲线(水平距离为横坐标，嵌入深度为纵坐标)，表达式为：
y＝a1x3+a2x2+a3x
其中，x的定义域为[0,1]，y的值域为[0,1]；
对整理完毕后的沟槽形状数据进行三次方曲线拟合，拟合过程中保证常数项为0，拟合曲线公式中的x前的三个系数项对应公式中的a1、a2、a3
5)重复上述步骤4)对所有不同工况的数据进行处理，并记录每种工况下所对应的λ(即Lmax/LT)、a1、a2、a3值；
6)将所有不同工况下的a1-λ以散点图的形式汇总到一张图里，根据散点数据拟合a1与λ的参数方程，采取上边界数据拟合-全部数据拟合-下边界数据拟合的方式，得到a1的三条数据拟合曲线，来确定a1与λ间的对应关系；
7)采取上述步骤6)相同的方式依次处理a2-λ、a3-λ数据，分别得到a2的三条数据拟合曲线和a3的三条数据拟合曲线；根据a1、a2、a3的数据拟合曲线得到未知量a1、a2、a3的值，带入上述步骤1)假设的沟槽形状公式中，即得到沟槽形状公式的完整形式。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明以控制变量法研究不同非线性土壤参数对沟槽的影响，以获得快速沟槽模拟时具体系数的建议取值，为立管的动力响应分析提供支持，改进了计算时长过长的问题。
(2)本发明的考虑管道自重的沟槽形状公式，能够在进行钢悬链线立管设计时直接分析沟槽对立管触地区域的动力响应分析，完善立管的整体设计流程。
(3)本发明的考虑管道自重的沟槽形状公式的优点为：沟槽起始点经过原点，参数方程的常数项必为0，减少了一个待定系数，能够在一定范围内提高其他三个系数的精度。应用沟槽快速形成方法计算多种工况下的沟槽形状，根据计算结果进行沟槽形状公式的回归分析，以确定待定系数a1、a2、a3的值，从而获得确切的沟槽形状公式。
附图说明
图1是典型立管-沟槽模型；
图2是钢悬链线立管的特征段；
图3是沟渠嵌入深度曲线；
图4是沟槽形状数据处理与曲线拟合；
图5是a1-λ的散点汇总；
图6是a1的三条拟合曲线；
图7是a2的三条拟合曲线；
图8是a3的三条拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的钢悬链线立管触地点区域形成的沟槽分析方法，通过管土作用下沟槽形成的数值模拟，提出一个包含具体系数建议取值的沟槽快速形成方法与一个获得基于有限元计算的沟槽形状回归公式的分析方法，关键在于精确模拟管土相互作用过程并提出相应的理论公式。
本发明的钢悬链线立管触地点区域形成的沟槽分析方法，具体过程如下：
一、因为采用常规方法模拟沟槽的计算时长太大，所以研究不同参数对沟槽形状的影响，并提出了加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值。
1)用Orcaflex建立典型的钢悬链线立管、浮体和海床系统的模型，即立管-沟槽模型，如图1所示。钢悬链线立管的特征段如图2所示。
2)采用控制变量的方式对非线性土壤参数进行研究，每一种计算工况相比基础工况只改变非线性土壤参数中的一个有效参数，通过对比计算结果确定非线性土壤参数对沟槽形状的影响。
其中，非线性土壤参数可对钢悬链线立管在海床形成沟槽产生影响，包括吸力比例系数fsuc、再嵌入系数λrep、吸力衰减系数λsuc。吸力比例系数fsuc控制极限吸力Pu-suc(z)，取值范围为0～+∞，在进行动力响应分析时一般采用0～0.3。再嵌入系数λrep控制着立管达到最大土壤阻力时立管嵌入的距离，一般取值为0.1～0.5，取值越大则嵌入的深度越大。吸力衰减系数λsuc影响着立管卸载上升过程中土壤吸力的作用距离，取值范围是0.2～0.6，这样的取值能够确保立管向上运动超过一个直径距离时所受的土体吸力极小。
3)在非线性土壤参数不同取值的多种计算工况下，分别对立管-沟槽模型进行动力响应分析，提取沟槽嵌入深度的数值，根据嵌入深度的最大值选取非线性土壤参数的最佳值，作为加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值。在进行立管-沟槽模型的动力响应分析时可以忽略沟槽形成时期立管的疲劳损伤，只考虑沟槽形状稳定后的立管疲劳影响。
二、根据加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值，计算不同工况下的沟槽形状，根据计算结果进行沟槽形状公式的回归分析，确定一个基于有限元计算的沟槽形状计算公式。
1)现有的沟槽形状公式是Aubeny提出的多项式沟槽形状方程：
其中，LT为沟槽开始点到沟槽结束点的水平距离，Lmax为沟槽开始点到最大嵌入深度点的水平距离，dmax是沟槽的最大嵌入深度，表示描述点到沟槽开始点的水平距离，是描述点对应的嵌入深度。
但上述公式并未考虑管道自重的影响，现假设沟槽形状公式为：
其中，a1、a2、a3均为λ＝Lmax/LT的多次项函数方程。
2)针对立管-沟槽模型，通过改变水深Δz、立管外径D、立管壁厚wt、悬挂角θHO、抗剪强度变化梯度参数ρ、土体表层抗剪强度su0、垂荡H等参数的值，设定多种不同的工况。
3)对设定的多种不同工况下的立管-沟槽模型进行动力分析，提取沟槽深度嵌入的值。
4)对设定的多种不同工况中的任一工况，按下述进行数据处理：
按照假设的沟槽形状公式绘制沟槽嵌入深度曲线(水平距离为横坐标，嵌入深度为纵坐标)，为了直观推导三个未知系数a1、a2、a3，表达式为：
其中，x的定义域为[0,1]，y的值域为[0,1]。
对整理完毕后的沟槽形状数据进行三次方曲线拟合，拟合过程中保证常数项为0，拟合曲线公式中的x前的三个系数项对应公式中的a1、a2、a3。
5)重复上述步骤4)采用VB编程对所有不同工况的数据进行类似的处理，并记录每种工况下所对应的λ(即Lmax/LT)、a1、a2、a3值。
6)研究λ与a1、a2、a3的关系。将所有不同工况下的a1-λ数据以散点图的形式汇总到一张图里。根据散点数据拟合a1与λ的参数方程。在λ的分布区间内a1的取值并不是完全集中，所以采取上边界数据拟合-全部数据拟合-下边界数据拟合的方式，得到a1的三条数据拟合曲线，来确定a1与λ间的对应关系。
7)采取上述步骤6)相同的方式依次处理a2-λ、a3-λ数据，分别得到a2的三条数据拟合曲线和a3的三条数据拟合曲线。根据a1、a2、a3的数据拟合曲线得到未知量a1、a2、a3的值，带入上述步骤1)假设的沟槽形状公式中，即得到沟槽形状公式的完整形式。
具体实施例：
一、因为采用常规方法模拟沟槽的计算时长太大，所以研究不同参数对沟槽形状的影响，并提出了加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值。
1)用Orcaflex建立钢悬链线立管、浮体和海床系统的模型，即立管-沟槽模型。
2)采用控制变量的方式对非线性土壤参数进行研究，每一种计算工况相比基础工况只改变非线性土壤参数中的一个有效参数，通过对比计算结果确定非线性土壤参数对沟槽形状的影响。
3)在非线性土壤参数不同取值的多种计算工况下，分别对立管-沟槽模型进行动力响应分析，提取沟槽嵌入深度的数值，根据嵌入深度的最大值选取非线性土壤参数的最佳值，作为加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值。
二、根据加速形成沟槽的非线性土壤参数的建议取值，计算不同工况下的沟槽形状，根据计算结果进行沟槽形状公式的回归分析，确定一个计算沟槽形状的数学公式。
1)假设沟槽形状公式为上述公式(2)。
2)针对立管-沟槽模型，通过改变水深Δz、立管外径D、立管壁厚wt、悬挂角θHO、抗剪强度变化梯度参数ρ、土体表层抗剪强度su0、垂荡H等参数的值，设定多种不同的工况。
3)对设定的多种不同工况下的立管-沟槽模型进行动力分析，提取沟槽深度嵌入的值。
4)对设定的多种不同工况中的任一工况，按下述进行数据处理：
按照假设的沟槽形状公式绘制沟槽嵌入深度曲线(水平距离为横坐标，嵌入深度为纵坐标)，如图3，为了直观推导三个未知系数a1、a2、a3，表达式为上述公式(3)。
对整理完毕后的沟槽形状数据进行三次方曲线拟合，如图4，拟合过程中保证常数项为0，拟合曲线公式中的x前的三个系数项对应公式中的a1、a2、a3。
5)重复上述步骤4)采用VB编程对所有不同工况的数据进行类似的处理，并记录每种工况下所对应的λ(即Lmax/LT)、a1、a2、a3值。
6)研究λ与a1、a2、a3的关系。将所有不同工况下的a1-λ数据以散点图的形式汇总到一张图里，如图5。根据散点数据拟合a1与λ的参数方程。在λ的分布区间内a1的取值并不是完全集中，所以采取上边界数据拟合-全部数据拟合-下边界数据拟合的方式，得到a1的三条数据拟合曲线，如图6，来确定a1与λ间的对应关系。
在进行上下边界数据选取时，先将λ的取值范围0.05～0.65平均分为300份，继而将所有个数据分布在300组内，去除掉每组数据中的异常点后，选取每组数据中的最大或最小a1值从而得到300个最大最小数据点。上下边界曲线的原始拟合曲线则由这300组数据点组成，继而采取二次参数方程对上下边界曲线进行拟合。全部数据拟合曲线则是去除有限的数据异常点后的拟合结果。
7)采取上述步骤6)相同的方式依次处理a2-λ、a3-λ数据，分别得到a2的三条数据拟合曲线和a3的三条数据拟合曲线，如图7和图8。
通过上述数据处理方式一共得到三组系数公式，其中上边界数据结果为：
全部数据结果为：
下边界数据结果为:
根据a1、a2、a3的数据拟合曲线得到未知量a1、a2、a3的值，带入上述步骤1)假设的沟槽形状公式中，即得到沟槽形状公式的完整形式。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。