一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法技术

一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，包括以下步骤：步骤一：理论假设；步骤二：建立力学分析模型：脐带缆由于其细长特性，根据经典杆理论以脐带缆管道中心轴线位置描述其位形，划分为悬跨段和触地段；步骤三：设定边界条件，脐带缆通过限弯器连接于水面浮式装置，将其连接简化为铰接连接，从而确定下放点LOP的边界条件；考虑脐带缆的直径影响，确定触地点处TDP的边界条件；步骤四：数值求解，一旦顶端拉力T

A nonlinear static analysis method for deep sea slow wave type umbilical cord

Nonlinear static analysis methods for deep sea corrosion wave type umbilical cable, which comprises the following steps: step one: theoretical assumptions; step two: establish a mechanical analysis model: umbilical cable due to its slender characteristics, according to the classical theory to describe the configuration to the pole position of umbilical cable central axis, divided into the spanning section and contact area; step three: set the boundary conditions, through the umbilical cable bend limiter is connected to the water floating device, the connection is simplified as a hinged connection, so as to determine the decentralization of LOP boundary conditions; considering the diameter of umbilical cable, determined at TDP TDP boundary conditions; step four: numerical solution, once the top tension T

【技术实现步骤摘要】
一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法
本专利技术涉及一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法。
技术介绍
深海油气开采工程中，脐带缆作为水下生产系统重要组成部分，起到连接水面浮式装置和海底油井的重要作用，是海洋油气水下生产系统的生命线。随着海洋油气开采工程不断向深海推进，脐带缆由于水深增大导致顶端所受的拉力不断增加。为了避免深水脐带缆顶端拉力过大，缓波构型由于有效减小顶端拉力这一特性被广泛应用于深水油气开发。然而，缓波构型中浮力块体系的引入致使其非线性特性愈专利技术显，因此有必要对深水缓波型脐带缆进行非线性静态分析。
技术实现思路
为了克服已有技术无法有效分析深水缓波型脐带缆的不足,本专利技术提供了一种有效实现深水缓波型脐带缆分析的深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，包括以下步骤：步骤一：理论假设，条件如下：1.1)不考虑船体的耦合作用，忽略风荷载影响；1.2)仅考虑海流的拖曳水动力作用，不考虑波浪作用；1.3)海床简化为水平文克尔地基梁模型，即海床的垂直抵抗力简化为一系列线弹簧作用；1.4)脐带缆材料各向同性，始终处于弹性阶段，且忽略轴向变形影响；1.5)该力学分析为平面内分析，即二维分析；步骤二：建立力学分析模型脐带缆由于其细长特性，根据经典杆理论以脐带缆管道中心轴线位置描述其位形，划分为：悬跨段，从下放点LOP到触地点TDP之间的管段，由悬浮段L1、浮力块段L2以及下降着地段L3三部分组成；触地段，管道触地点TD)之后置于海床上的管段；。根据上述深水脐带缆缓波型划分，建立两个坐标系分别对悬跨段和触地段进行力学分析：整体坐标系(x,y)以下放点(LOP)为该坐标系原点，用以分析悬跨段力学特性；局部坐标系(x1,y1)以触地点(TDP)为该坐标系原点，用以分析触地段力学特性；步骤三：设定边界条件脐带缆通过限弯器连接于水面浮式装置，将其连接简化为铰接连接，从而确定下放点LOP的边界条件；考虑脐带缆的直径影响，确定触地点处TDP的边界条件；步骤四：数值求解在求解过程中脐带缆顶端拉力T0、悬跨段长度以及触地点位置都是未知量，仅顶端下放角θ0为已知参数，需要通过迭代运算进行数值求解；一旦顶端拉力T0确定，通过递推法从顶端依次计算出每一微分单元的构型，从而求解出脐带缆缓波型的整体形态。进一步，所述方法还包括以下步骤：步骤五：有限元模型验证：使用有限元软件OrcaFlex建模与理论方法进行对比分析。本专利技术的有益效果主要表现在：(1)基于悬链线理论和小变形梁理论，综合考虑海洋环境荷载以及弹性海床地基作用，有较高的正确性和可靠性(2)对于缓波型脐带缆安装分析提供了一种简单有效的方法(3)可以对缓波型脐带缆安装进行一系列敏感性分析，为实际的安装作业提供参考。附图说明图1为缓波型脐带缆受力分析图。图2为缓波型脐带缆形态对比图。图3为沿脐带缆长度弯矩对比图。图4为沿脐带缆长度轴力对比图。图5为悬跨段管段微元受力分析示意图。图6为触地段管段微元受力分析示意图。图7为数值计算流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图7，一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析的方法，包括以下步骤：步骤一：理论假设实际安装工程中，由于受到海床、风浪流以及船体运动的影响，深水缓波型脐带缆的非线性静态分析比较复杂。为了便于理论分析研究，做以下简单假设：1.1)不考虑船体的耦合作用，忽略风荷载影响。1.2)仅考虑海流的拖曳水动力作用，不考虑波浪作用。1.3)海床简化为水平文克尔地基梁模型，即海床的垂直抵抗力可简化为一系列线弹簧作用。1.4)脐带缆材料各向同性，始终处于弹性阶段，且忽略轴向变形影响。1.5)该力学分析为平面内分析，即二维分析。步骤二：建立力学分析模型脐带缆由于其细长特性，根据经典杆理论以脐带缆管道中心轴线位置描述其位形。图1为典型的深水脐带缆缓波型布置，本方法将脐带缆分为两个部分进行研究分析：悬跨段，从下放点(LOP)到触地点(TDP)之间的管段，由悬浮段L1、浮力块段L2以及下降着地段L3三部分组成；触地段，管道触地点(TDP)之后置于海床上的管段。根据上述深水脐带缆缓波型划分，建立两个坐标系分别对悬跨段和触地段进行力学分析：整体坐标系(x,y)以下放点(LOP)为该坐标系原点，用以分析悬跨段力学特性；局部坐标系(x1,y1)以触地点(TDP)为该坐标系原点，用以分析触地段力学特性。步骤三：设定边界条件由于实际安装工程中，脐带缆通过限弯器连接于水面浮式装置，将其连接简化为铰接连接，从而确定下放点LOP的边界条件。考虑脐带缆的直径影响，确定触地点处TDP的边界条件。步骤四：数值求解在求解过程中脐带缆顶端拉力T0、悬跨段长度以及触地点位置都是未知量，仅顶端下放角θ0为已知参数，需要通过迭代运算进行数值求解。一旦顶端拉力T0确定，可以通过递推法从顶端依次计算出每一微分单元的构型，从而求解出脐带缆缓波型的整体形态。步骤五：有限元模型验证为了验证理论方法的正确性和可靠性，使用有限元软件OrcaFlex建模与理论方法进行对比分析。图2至图4为理论方法和有限元模拟的对比结果：图2为脐带缆形态对比图；图3为沿脐带缆长度弯矩对比图；图4为沿脐带缆长度轴力对比图(脐带缆长度以下放点LOP为起始位置)。从图中可以看到，理论方法和有限元模拟的形态、弯矩以及轴力吻合得相当好。悬跨段模型：如图5所示，悬跨段的脐带缆主要由悬浮段、浮力块段以及下降着地段三部分组成。其中浮力块均匀分布于浮力块段，用以提供一定程度的升力效应，形成拱形构造。由于浮力块段附着着均匀分布的浮力块，为方便计算需对浮力块段的单位浮重和外直径等进行等效简化。此外，由于浮力块的长度一般小于其间距，故不考虑其对浮力块段抗弯刚度的增强作用。水流方向以水平向右为正，反之为负。将缓波型的悬跨段划分成若干个微分管段单元，通过微分单元的力学平衡得到如下公式：dV＝Fτdssinθ-Fndscosθ-wds(1)dH＝Fndssinθ+Fτdscosθ(2)dM＝Vdscosθ-Hdssinθ-w(ds)2cosθ/2-Fn(ds)2/2(3)其中，T、V、H分别为管段的轴力、垂直力以及水平力；dV、dH分别为管段垂直力和水平力的增量；dM为管段的弯矩增量；Fn、Fτ分别是作用在单位长度管段上的水动力在法向和切向的分力；Cd、Cτ分别为法向和切向水动力系数；ρw为海水密度；D为管段外径，浮力块段等效外径为D2，其余为D1；w为管道单位长度的浮重，浮力块段等效单位浮重为w2，其余为w1；Vc为水流速度；ds为管段长度；θ为管段与水平方向的夹角。从式(3)可以看出弯曲刚度对缓波型脐带缆构型的影响十分复杂，但由于缓波型脐带缆主要用于深水作业，故可以忽略脐带缆的弯曲刚度，采用悬链线理论对悬跨段进行力学分析。由于不考虑悬跨段脐带缆的弯曲刚度，故各微分单元与水平方向的夹角θ以及夹角增量dθ可以通过式(3)忽略高阶项推导得到：一旦微分单元与水平方向的夹角θ求得，忽略管段的轴向变形可以得到各微分单元在x、y轴的增量为：dx＝dscosθ，dy＝dssinθ(9)上述计算脐带缆缓波型悬跨段的形态时基于忽略脐带缆的弯曲刚度的假本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：理论假设，条件如下：1.1)不考虑船体的耦合作用，忽略风荷载影响；1.2)仅考虑海流的拖曳水动力作用，不考虑波浪作用；1.3)海床简化为水平文克尔地基梁模型，即海床的垂直抵抗力简化为一系列线弹簧作用；1.4)脐带缆材料各向同性，始终处于弹性阶段，且忽略轴向变形影响；1.5)该力学分析为平面内分析，即二维分析；步骤二：建立力学分析模型脐带缆由于其细长特性，根据经典杆理论以脐带缆管道中心轴线位置描述其位形，划分为：悬跨段，从下放点LOP到触地点TDP之间的管段，由悬浮段L

【技术特征摘要】
1.一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：理论假设，条件如下：1.1)不考虑船体的耦合作用，忽略风荷载影响；1.2)仅考虑海流的拖曳水动力作用，不考虑波浪作用；1.3)海床简化为水平文克尔地基梁模型，即海床的垂直抵抗力简化为一系列线弹簧作用；1.4)脐带缆材料各向同性，始终处于弹性阶段，且忽略轴向变形影响；1.5)该力学分析为平面内分析，即二维分析；步骤二：建立力学分析模型脐带缆由于其细长特性，根据经典杆理论以脐带缆管道中心轴线位置描述其位形，划分为：悬跨段，从下放点LOP到触地点TDP之间的管段，由悬浮段L1、浮力块段L2以及下降着地段L3三部分组成；触地段，管道触地点TD)之后置于海床上的管段；根据上述深水脐带缆缓波型划分，建立两个坐标系分别对悬跨段和触地段进行力学分析：整体坐标系(x,y)以下放点(LOP)为该坐标系原点，用以分析悬跨段力学特性；局部坐标系(x1,y1)以触地点(TDP)为该坐标系原点，用以分析触地段力学特性；步骤三：设定边界条件脐带缆通过限弯器连接于水面浮式装置，将其连接简化为铰接连接，从而确定下放点LOP的边界条件；考虑脐带缆的直径影响，确定触地点处TDP的边界条件；步骤四：数值求解在求解过程中脐带缆顶端拉力T0、悬跨段长度以及触地点位置都是未知量，仅顶端下放角θ0为已知参数，需要通过迭代运算进行数值求解；一旦顶端拉力T0确定，通过递推法从顶端依次计算出每一微分单元的构型，从而求解出脐带缆缓波型的整体形态。2.如权利要求1所述的一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：步骤五：有限元模型验证：使用有限元软件OrcaFlex建模与理论方法进行对比分析。3.如权利要求1或2所述的一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，其特征在于：所述步骤二中，将缓波型的悬跨段划分成若干个微分管段单元，通过微分单元的力学平衡得到如下公式：dV＝Fτdssinθ-Fndscosθ-wds(1)dH＝Fndssinθ+Fτdscosθ(2)dM＝Vdscosθ-Hdssinθ-w(ds)2cosθ/2-Fn(ds)2/2(3)其中，T、V、H分别为管段的轴力、垂直力以及水平力；dV、dH分别为管段垂直力和水平力的增量；dM为管段的弯矩增量；Fn、Fτ分别是作用在单位长度管段上的水动力在法向和切向的分力；Cd、Cτ分别为法向和切向水动力系数；ρw为海水密度；D为管段外径，浮力块段等效外径为D2，其余为D1；w为管道单位长度的浮重，浮力块段等效单位浮重为w2，其余为w1；Vc为水流速度；ds为管段长度；θ为管段与水平方向的夹角；采用悬链线理论对悬跨段进行力学分析，各微分单元与水平方向的夹角θ以及夹角增量dθ可以通过式(3)忽略高阶项推导得到：一旦微分单元与水平方向的夹角θ求得，忽略管段的轴向变形可以得到各微分单元在x、y轴的增量为：dx＝dscosθ，dy＝dssinθ(9)上述计算脐带缆缓波型悬跨段的形态时基于忽略脐带缆的弯曲刚度的假设，将脐带缆简化为缆绳进行力学分析，实际的悬跨段脐带缆承受弯矩荷载，脐带缆弯矩根据梁理论推导公式如下：4.如权利要求1或2所述的一种深海缓波型脐带缆的非线...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴伟，孙毅，阮伟东，
申请(专利权)人：宁海县浙工大海洋研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33