中文摘要：

海底管道、海底电缆（光缆）的铺设作业等在海洋工程中应用广泛，在海洋水下施工作业中占据很大的比例。为使所铺设的海底管线免遭意外的人为损害，使管线在波浪和潮流等作用下保持稳定和避免可能出现的机械损伤等，最有效的保护方法就是开沟埋设。即用水下开沟机械在海床上挖掘出一条满足管线防护深度要求的沟槽，将海底管线掩埋在沟槽之中，以达到保护之目的。因此，开发我国的海底管道开沟作业设备，研制具有自主知识产权的海底挖沟机，具有重要的理论意义和实用价值。海底开沟机械犁刃裂解土壤的土阻力学及挖掘理论研究作为犁式挖沟机的理论基础迫切需要进行系统研究。本项目采用理论推导、计算机数值模拟与物理实验对比验证的研究方法，获得优化的犁体曲面数学模型、犁刃裂解土壤的数学模型及挖掘理论，从而获得拖拽力、行进速度等过程变量随时间的变化规律，进而为犁式挖沟机械的整机结构设计及系统控制提供理论依据。

结论摘要：

海底管道、海底电缆（光缆）的铺设作业等在海洋工程中应用广泛，为使海底管线免遭意外损害，使管线在波浪和潮流等作用下保持稳定，最有效的保护方法就是开沟埋设。海底犁式挖沟机是一种用于海底开挖管沟铺设海底管道的设备。因此，对海底犁式挖沟机犁体进行结构优化设计，土壤挖掘力学分析及拖拽系统的动力学分析等研究具有重要意义。结合一阶线性水波对海底土壤的动压力方程，分析了线性Drucker-Prager塑性屈服准则的土壤弹塑性本构方程，采用光滑粒子流体力学法和欧拉拉格朗日耦合法，建立了犁体、海底土壤及流场三者的相互作用模型，并进行了仿真模型的数值求解。通过陆地试验结果验证基于光滑粒子流体动力学法的犁体挖掘土壤仿真模型的可行性。针对海底作业情况仿真，研究了犁体作业时土壤的应力变化过程，通过仿真分析讨论了复杂海底地貌及海底冲击载荷对犁体牵引力的影响，同时研究水波对犁体牵引力产生的影响，并进一步研究了挖沟机运行对不同流速方向及水深的流场变化的影响趋势。建立了海底犁式挖沟机试验系统，对试验场地土壤进行土工试验并进行了陆地试验。分析陆地试验数据，验证了犁体力学分析方法及理论基础、管道受力分析方法。分析犁体曲面建模方法，采用水平直元线法建立犁体主切削面和翻抛曲面的数学解析方程及三维模型。分析了海底犁式挖沟机犁体工作面的海底土壤挖掘过程。采用饱和土体单向渗流的条件确定海底土壤的有效密度。基于工作面土壤微元运动机理，通过翻抛土壤能量最小方向得到犁体工作面作用的土迹线方程，建立了土壤裂解和翻抛的动力学方程，确定了牵引力的理论计算方法。研究翻抛曲面曲率对土壤翻抛的法向力及切向力的影响；牵引速度的变化对土壤翻抛的切向力影响；土壤粘聚力和内摩擦角对主切削面受力的影响。采用多目标遗传算法对犁体曲面进行优化设计。针对一定的土壤工作环境，以主切削面的受力及工作面积作为目标函数，优化设计犁体主切削面的入土角和面角。分析土壤沿着翻抛曲面的受力过程，优化设计翻抛曲面的参数，如直元线差角，导曲线安装角，切线夹角及开度。优化结果显示主切削面的受力及面积均减少。通过计算翻抛曲面的高斯曲率标准差分析了优化后的曲面的光顺性。