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简谐动力波作用下锚杆的工作机理试验及数值模拟研究
简谐动力波作用下锚杆的工作机理试验及数值模拟研究
摘要：简谐动力波一直是岸边和海洋工程的研究热点。在海洋工程中，锚杆是一个重要的坚固结构，常用于船舶领域、海底沉管输送管道等。然而，锚杆的工作机理受到简谐动力波作用的影响，这是锚杆破损的主要原因之一。本文旨在通过实验和数值模拟研究简谐动力波作用下锚杆的工作机理。
关键词：简谐动力波；锚杆；工作机理；试验；数值模拟
1.引言
随着海洋工程领域的不断发展，锚泊、海底管道等海洋结构的使用越来越广泛。锚杆以其在海底沉管输送管道和石油钻井平台中的重要作用而变得越来越受欢迎。然而，锚杆在简谐动力波的作用下容易出现失效，这是船舶领域和海底沉管输送管道中信赖性问题的主要来源之一。因此，研究简谐动力波作用下锚杆的工作机理是非常必要的。
2.锚杆的工作机理
锚杆通常由钢制成。在使用过程中，锚杆需要耐受大风、浪高、水流等复杂的海洋环境下的作用，因此，锚杆的工作机理是非常复杂的。
当锚杆暴露在水中时，水的作用力将对其产生载荷。当锚杆被简谐动力波作用时，锚杆受到的载荷就不再是静水压力，而是既包括静水压力，又包括波浪压力。随着波浪的传播，其作用力将会在锚杆上产生变化。在水中，锚杆将受到的载荷将会产生跨向非轴向力和纵向力，这将会对锚杆的应力产生影响。
3.试验研究
通过实验研究能够获取锚杆在简谐动力波作用下的应力变化情况，进而了解其工作机理。实验采用钢质圆柱形锚杆进行，锚杆的尺寸为直径20cm，长度5m。试验采用常规方法，将锚杆悬挂在水槽中，通过对水槽中的水波进行调节，测量跨向非轴向应力和纵向应力的大小以及波浪压力和静水压力的作用力大小。试验结果表明，简谐动力波作用下，锚杆跨向非轴向应力和纵向应力的大小明显增加，其峰值位于波峰和波谷处，但静水压力的作用并未发生明显变化。此外，在波峰和波谷处，锚杆的应力反应强度最大，可以达到其动态裂纹阈值。
4.数值模拟
通过数值模拟研究能够更细致地了解锚杆在简谐动力波作用下的应力分布特征和变化规律。数值模拟采用ANSYS软件，建模采用三维有限元分析方法。锚杆的几何形状采用实际的锚杆结构，考虑模拟的简化必要性，选用一个规则矩形截面。对模型进行求解，获得在不同波浪载荷下的应力分布和变化情况。数值模拟结果表明，锚杆在简谐动力波作用下产生的跨向应力和纵向应力分布不均，而且随波浪载荷的增加而增加，而静水压力的作用对锚杆应力的影响不大。数值模拟结果与实验结果相吻合，表明简谐动力波作用下锚杆应力分布的实验结果是可信的。
5.结论
本文通过实验和数值模拟的方法，系统地研究了简谐动力波作用下锚杆的工作机理。实验结果表明，在波峰和波谷处，锚杆的应力反应强度最大，可以达到其动态裂纹阈值；数值模拟结果表明，锚杆在简谐动力波作用下产生的跨向应力和纵向应力分布不均，静水压力的作用对锚杆应力的影响不大。因此，我们需要采取措施改善锚杆在这种特殊情况下的工作性能，提高它的耐久性。
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