一种多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价方法技术

本发明专利技术提供一种多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价方法，测定多层非粘结柔性管的结构参数，确定多层非粘结柔性管各功能层所用材料的力学参数，对多层非粘结柔性管三维几何模型进行网格划分，考虑层内、层间摩擦接触，建立柔性管三维有限元计算模型，并计算得到多层非粘结柔性管在弯矩作用下的应力分布特征。基于各功能层的von Mises应力峰值和各功能层相应的材料屈服强度，计算确定各功能层在当前载荷工况条件下的安全系数，取各功能层安全系数最小值作为柔性管的抗弯安全系数。逐步施加弯矩，直至多层非粘结柔性管的抗弯安全系数降为1，得到多层非粘结柔性管的极限弯曲状态，实现快速评价多层非粘结柔性管极限抗弯性能的目的。

A fast evaluation method for ultimate flexural performance of multi-layer non cohesive marine flexible pipe

The present invention provides a multi-layer non bonded flexible pipe ultimate flexural performance evaluation methods, the determination of structural parameters of multilayer Unbonded flexible pipe, determine the multi-layer non bonded flexible pipes of each functional layer with the material mechanical parameters, meshing on the multilayer Unbonded flexible pipe geometry model, considering the contact friction layer, between the layers, the establishment of flexible pipe 3-D finite element model, and calculated the stress distribution characteristics of Unbonded flexible pipe under the action of bending moment of non multilayer. The functional layer of the von Mises should yield strength and peak force of each functional layer of the corresponding material based on the determined function layer in the current load conditions to calculate the safety factor, the function layer minimum safety coefficient value as the safety coefficient of flexible pipe bending. The bending moment is gradually applied until the bending safety factor of multilayer non flexible flexible pipe is reduced to 1, and the ultimate bending state of multi-layer non bonded flexible pipe is obtained, so as to achieve fast evaluation of the ultimate flexural performance of multi-layer non bonded flexible pipe.

【技术实现步骤摘要】
一种多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价方法
本专利技术涉及海洋油气开采和输运
，特别是一种多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价方法。
技术介绍
多层非粘结海洋柔性管道是海洋油气资源开采和输运中必不可少的装备，随着人类深海进军步伐的不断迈进，其所面临的海洋环境也越来越恶劣，海洋柔性管受到的弯曲载荷也越来越大。为了确保海洋柔性管能满足苛刻的服役环境，应在使用前评估其抗弯性能。全尺寸实物实验是评价多层非粘结海洋柔性管道综合力学性能的可靠方法，然而其费用高、周期长，且不能直观地反映复杂载荷作用下柔性管内部的受力特征。采用数值模拟手段评价多层非粘结海洋柔性管道综合性能是对实验评估方法的有力补充。针对海洋工程中多层非粘结海洋柔性管道的特点国内外学者其结构分析上做了大量的工作。然而多层非粘结海洋柔性管道的结构分析非常复杂，目前大部分研究人员所用模型要么对模型作了大量简化，要么未考虑层间摩擦接触特征，因此所得结果与多层非粘结海洋柔性管道的真实受力特征存在一定的差距。本专利技术建立多层非粘结海洋柔性管道三维全尺寸有限元模型，考虑层内、层间的摩擦接触，分析典型载荷作用下柔性管各层间的相互作用，结合弯矩作用下海洋柔性管道的应力分布状态特征，基于多层非粘结海洋柔性管各功能层最小抗弯安全系数，确定柔性管的极限抗弯性能。
技术实现思路
针对当前多层非粘结海洋柔性管抗弯性能评价方法中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种确定多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价方法，以便更好地反映这种柔性管在真实复杂载荷工况条件下的受力特征，保证其使用安全。采用三维有限元分析方能有效地模拟多层非粘结海洋柔性管在外载作用下的应力特征，从而实现这种柔性管极限抗弯性能的有效评价。为了达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价方法，采用测量、实验和三维有限元分析相结合的方法，得到弯矩载荷作用下多层非粘结海洋柔性管的应力特征，在此基础上对其极限抗弯性能实现快速评价，具体步骤如下：1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测定多层非粘结海洋柔性管的结构参数；2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结海洋柔性管各功能层所用材料的力学参数；3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结海洋柔性管三维全尺寸几何模型；4)利用有限元前处理软件对多层非粘结海洋柔性管进行网格划分，建立多层非粘结海洋柔性管三维有限元模型：包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层等；5)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结海洋柔性管进行计算分析，得到多层非粘结海洋柔性管的vonMises应力分布云图；6)分析多层非粘结海洋柔性管各功能层vonMises应力峰值及分布状态，以材料屈服强度为依据，分别计算各功能层安全系数：式中，Si为第i功能层的安全系数，σi为第i功能层的vonMises应力峰值，σsi为第i功能层所用材料的屈服强度，取各功能层安全系数的最小值，得到多层非粘结海洋柔性管的安全系数，其中n为功能层层数：S＝min{Si},i＝1～n(2)7)逐步施加弯矩，多层非粘结海洋柔性管的抗弯安全系数随着弯矩的增大而减小，当抗弯安全系数减小至1时，得到多层非粘结海洋柔性管的极限弯曲状态，实现多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能的快速评价。所述的多层非粘结海洋柔性管为任何一种目前使用的非粘结海洋柔性管。所述步骤1)中的多层非粘结海洋柔性管的结构参数是指柔性管的内径、外径；各功能层的厚度，包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层；抗压铠装层和抗拉铠装层钢带的宽度、缠绕角度。所述步骤2)中的多层非粘结海洋柔性管各功能层所用材料的力学参数是指各功能层的密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、强度极限。本专利技术与现有技术相比较，具有以下突出的优点：本专利技术提供一种多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价的新方法，采用三维有限元分析技术对柔性管的抗弯性能进行综合评估。相比实物实验评价方法，三维有限元评价方法具有更快速、更经济的特点，且能清楚地反映柔性管内部的受力特征。相比现有柔性管有限元分析方法，本专利技术所用方法能较好地体现柔性管层内、层间的摩擦接触行为，确定柔性管在真实载荷工况条件下的应力特征。附图说明图1是多层非粘结海洋柔性管抗弯性能评价方法的流程图。图2是多层非粘结海洋柔性管三维几何模型示意图。图3是多层非粘结海洋柔性管三维有限元模型示意图。图4是5kN·m弯矩作用下多层非粘结海洋柔性管道的vonMises应力分布云图，其中(a)抗拉铠装层内层，(b)抗拉铠装层外层，(c)整体。图5是19kN·m弯矩作用下作用下多层非粘结海洋柔性管道的vonMises应力分布云图。其中(a)抗拉铠装层内层，(b)抗拉铠装层外层，(c)整体。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施例做进一步的说明。利用本评价方法对某多层非粘结海洋柔性管进行评价，其包括内衬层、抗压铠装层(6层)、抗拉铠装层(2层)、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层，共13层。如图1所示，具体步骤如下：1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪等专用测量工具，测量多层非粘结海洋柔性管的结构参数，主要测量结果见表1。表1柔性管主要结构参数2)利用MTS万能试验机、密度测量仪等专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结海洋柔性管的各功能层所用材料的力学参数，测量结果见表2。表2柔性管主要材料参数3)利用CAD几何建模软件建立柔性管三维几何模型，如图2所示。4)利用有限元前处理软件对柔性管进行网格划分，建立其三维有限元模型，如图3所示。5)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结海洋柔性管进行计算分析，得到多层非粘结海洋柔性管的vonMises应力分布云图。计算时，层内、层间的摩擦系数取0.1。6)在5kN·m弯矩作用下，柔性管抗拉铠装层内层(a)、抗拉铠装层外层(b)、整体(c)的应力云图如图4所示。vonMises应力较高的区域主要集中在抗拉铠装层，应力峰值为167.7MPa，尚未超过材料强度极限，柔性管未发生破坏失效。在5kN·m弯矩作用下，各功能层vonMises应力峰值、安全系数如表3所示，其中安全系数由公式(1)确定。利用公式(2)可得该多层非粘结海洋柔性管在5kN·m弯矩作用下安全系数为2.97，大于1，因此其抗弯性能稳定。表35kN·m弯矩作用下柔性管各功能层应力峰值及安全系数7)继续施加弯矩，当弯矩达到19kN·m时，该多层非粘结海洋柔性管各功能层的安全系数如表4所示，此时柔性管的安全系数为1.0，即该多层非粘结海洋柔性管的极限抗弯性能为19kN·m。表419kN·m弯矩作用下柔性管各功能层应力峰值及安全系数在19kN·m弯矩作用下柔性管的vonMises应力分布云图如图5所示。由图5可见，在19kN·m弯矩作用下，vonMises应力较高的区域主要集中在抗拉铠装层，应力峰值为497.9MPa，已非常接近材料强度极限，柔性管此时处于极限弯曲状态。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价方法，其特征在于，采用测量、实验和三维有限元分析相结合的方法，得到弯矩载荷作用下多层非粘结海洋柔性管的应力特征，在此基础上对其极限抗弯性能实现快速评价，具体步骤如下：1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪的专用测量工具，测定多层非粘结海洋柔性管的结构参数；2)利用MTS万能试验机、密度测量仪的专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结海洋柔性管各功能层所用材料的力学参数；3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结海洋柔性管三维全尺寸几何模型；4)利用有限元前处理软件对多层非粘结海洋柔性管进行网格划分，建立多层非粘结海洋柔性管三维有限元模型：包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层；5)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结海洋柔性管进行计算分析，得到多层非粘结海洋柔性管的von Mises应力分布云图；6)分析多层非粘结海洋柔性管各功能层von Mises应力峰值及分布状态，以材料屈服强度为依据，分别计算各功能层安全系数：

【技术特征摘要】
1.一种多层非粘结海洋柔性管极限抗弯性能快速评价方法，其特征在于，采用测量、实验和三维有限元分析相结合的方法，得到弯矩载荷作用下多层非粘结海洋柔性管的应力特征，在此基础上对其极限抗弯性能实现快速评价，具体步骤如下：1)利用内径表、盘型千分尺、测厚仪、影像测量仪的专用测量工具，测定多层非粘结海洋柔性管的结构参数；2)利用MTS万能试验机、密度测量仪的专用材料试验设备和方法，实验确定多层非粘结海洋柔性管各功能层所用材料的力学参数；3)利用CAD几何建模软件建立多层非粘结海洋柔性管三维全尺寸几何模型；4)利用有限元前处理软件对多层非粘结海洋柔性管进行网格划分，建立多层非粘结海洋柔性管三维有限元模型：包括内衬层、抗压铠装层、抗拉铠装层、耐磨层、保温层、中间包覆层、外包覆层；5)对模型施加工作载荷和边界条件，利用ABAQUS对多层非粘结海洋柔性管进行计算分析，得到多层非粘结海洋柔性管的vonMises应力分布云图；6)分析多层非粘结海洋柔性管各功能层vonMises应力峰值及分布状态，以材料屈服强度为依据，分别计算各功能层安全系数：式中，Si为第i功能层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：狄勤丰，陈锋，王文昌，张鹤，陈薇，陈洛印，吴志浩，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31