一种复合柔性管截面的设计方法技术

本发明专利技术公开一种复合柔性管截面的设计方法，其步骤为：根据柔性管的设计目标，获取柔性管的几何尺寸和材料参数；根据柔性管运行环境及材料的力学属性，结合设计规范的规定，确定柔性管的设计荷载和失效准则；建立柔性管的有限元模型和整体分析模型，并验证其有效性；分析柔性管增强层纤维交替缠绕角度、外保护层材料、内衬层厚度与外保护层厚度，结合生产实际和设计规范确定柔性管的基础设计参数；初步截面设计，单一设计拉伸荷载，柔性管强度校核，柔性管曲率校核，柔性管疲劳寿命校核；柔性管截面设计完成。面设计完成。面设计完成。

【技术实现步骤摘要】
一种复合柔性管截面的设计方法


[0001]本专利技术属于海洋油气装备管道领域，具体涉及一种复合柔性管截面的设计方法。

技术介绍

[0002]柔性管相对于传统钢制管道具有诸多优势：具有较小的弯曲刚度，可发生较大变形，能承受较大的平台运动，易安装，抗腐蚀能力强，可回收利用，在未来海洋油气开发过程中具有重要的工程应用价值。采用相同设计方法和通用生产工艺，选择不同材料组合和截面结构，可实现柔性管定制化生产，以满足油气输送领域不同应用要求。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在克服现有技术的缺陷，提供一种复合柔性管截面的设计方法，旨在针对深水、超深水以及其他复杂环境下油气勘探开发的需求，掌握超深水多用途柔性管在设计、分析、生产方面的关键技术，并取得具有原创性的技术研发成果。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0005]一种复合柔性管截面的设计方法，其步骤为：1)根据柔性管的设计目标，获取柔性管的几何尺寸和材料参数；
[0006]2)根据柔性管运行环境及材料的力学属性，结合设计规范的规定，确定柔性管的设计荷载和失效准则；
[0007]3)建立柔性管的有限元模型和整体分析模型，并验证其有效性；
[0008]4)分析柔性管增强层纤维交替缠绕角度、外保护层材料、内衬层厚度与外保护层厚度，结合生产实际和设计规范确定柔性管的基础设计参数；
[0009]5)初步截面设计，在单一内压、外压荷载作用下进行柔性管初步截面设计；
[0010]6)单一设计拉伸荷载，利用初始截面纤维层数建立柔性管整体分析模型，分别进行静力分析和动力分析，获得有效张力、曲率、弯矩数据；结合设计规范计算柔性管的单一设计拉伸荷载；
[0011]7)柔性管强度校核，柔性管曲率校核，柔性管疲劳寿命校核；柔性管截面设计完成。
[0012]优选地，第5步骤，确定一个使柔性管截面同时满足两种组合设计荷载的增强层纤维层数。为使柔性管通过强度校核、弯曲校核和疲劳寿命校核，估算初始截面纤维层数。
[0013]优选地，第7步骤，柔性管强度校核，对柔性管施加组合荷载，分析其应力应变结果；若应力应变结果超出失效标准，则柔性管失效，重新选取初始截面纤维层数进行分析，直至截面纤维层数使柔性管通过强度校核。
[0014]优选地，第7步骤，柔性管曲率校核，对柔性管施加弯矩计算其曲率，与整体分析中得到的容许曲率进行比较；若曲率大于容许曲率，则更换柔性管材料重新设计。
[0015]优选地，第7步骤，柔性管疲劳寿命校核，对柔性管施加疲劳载荷计算疲劳寿命；若柔性管疲劳寿命不满足设计要求，则重新选取初始截面层数，直至截面纤维层数使得柔性
管能通过强度校核、弯曲校核和疲劳寿命校核；若截面纤维层数使柔性管通过所有校核，则以其为最终截面纤维层数。
[0016]与现有技术相比较，本专利技术具有如下的有益效果：
[0017]本专利技术通过研究热塑性纤维增强复合柔性管截面的设计方法，可对热塑性纤维增强复合柔性管的设计与生产提供指导。
附图说明
[0018]图1是本专利技术复合柔性管的结构示意图；
[0019]图2是本专利技术复合柔性管的圆柱坐标系示意图；
[0020]图3是本专利技术国标对不同管径时内衬层最小壁厚规定的示意图；
[0021]图4是本专利技术复合柔性管的整体迭代分析流程图；
[0022]图5是本专利技术复合柔性管设计的流程图。
具体实施方式
[0023]以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0024]如图1所示，热塑性复合材料柔性管是由热塑性聚合物挤出管和多层纤维增强复合材料带缠绕粘结组成，其截面结构从内到外分成四层，外保护层1、功能层2、纤维增强层3、内衬层4，功能层为非主要承载力结构。增强纤维完全嵌入聚合物基体，各层之间通过加热融合的方式粘结在一起，形成全粘结复合管道结构。热塑性聚合物材料可以选择聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等；纤维材料可以选择玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。柔性管截面设计过程是反复迭代的过程。在设计过程中，若设计出的截面性能远远超出设计目标，出于经济性和实际生产的需要，应尽量使得截面性能刚好满足设计目标而适当减小安全裕度。
[0025]一种复合柔性管截面的设计方法，其步骤为：
[0026]1)根据柔性管的设计目标，获取柔性管的几何尺寸和材料参数。
[0027]2)根据柔性管的运行环境和材料的力学属性，结合设计规范对安全系数的规定，确定柔性管的设计荷载和失效准则。设计荷载包括设计内压荷载、设计外压荷载和设计拉伸荷载。柔性管各层应根据材料分别确定应力应变失效标准。
[0028]3)在有限元软件Abaqus中建立柔性管的有限元模型，并与实验数据进行对比，验证有限元模型的有效性；在海洋工程动力分析软件OrcaFlex中建立柔性管整体分析模型，验证截面等效理论。
[0029]4)将对柔性管增强层纤维交替缠绕角度、外保护层材料、内衬层厚度与外保护层厚度分别作为柔性管有限元模型的唯一变量逐一进行分析，将分析结果与生产实际和设计规范结合确定柔性管最佳截面特性，包括增强层纤维缠绕角度、最佳外保护层材料、最佳内衬层厚度与最佳外保护层厚度。
[0030]5)初步截面设计，在单一内压、外压设计荷载作用下进行初步的截面设计。应用上文中确定的柔性管截面特性，将设计荷载分别施加于柔性管有限元模型，根据柔性管失效准则，确定一个能使柔性管截面同时满足两种设计荷载的柔性管增强层纤维层数，称之为
初始截面纤维层数。为使柔性管满足通过荷载考虑到该截面纤维层数将使截面通过接下来的组合荷载校核、弯曲校核和疲劳寿命校核，结合设计经验，初步估算截面纤维层数宜尽量取大一些。
[0031]6)单一设计拉伸荷载，用初始截面纤维层数建立柔性管整体分析模型，分别对其进行静力分析和动力分析，记录其有效张力、曲率、弯矩数据；将有效张力结合设计规范计算出柔性管的作用于柔性管有限元模型的单一设计拉伸荷载。
[0032]7)柔性管强度校核，柔性管曲率校核，柔性管疲劳寿命校核；至此柔性管截面设计完成。
[0033]柔性管组合荷载校核，单一设计拉伸荷载可分别与单一设计内压荷载和单一设计外压荷载结合形成两种组合荷载。将两种组合荷载分别应用于柔性管有限元模型进行强度校核，分析其应力应变结果。若应力应变结果超出失效标准，柔性管失效，则重新选取初始截面纤维层数进行分析，直至截面纤维层数使柔性管能通过强度校核。
[0034]柔性管曲率校核，将弯矩载荷应用于柔性管有限元模型进行曲率校核，分析弯曲变形结果。若弯曲变形超出失效标准，则重新选取柔性管材料，直至截面纤维层数使得柔性管能通过强度校核和曲率校核。
[0035]柔性管疲劳寿命校核，利用柔性管有限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合柔性管截面的设计方法，包括以下步骤：1)根据柔性管的设计目标，获取柔性管的几何尺寸和材料参数；其特征在于，2)根据柔性管运行环境及材料的力学属性，及设计规范的规定，确定柔性管的设计荷载和失效准则；3)建立柔性管的有限元模型和整体分析模型，并验证有效性；4)分析柔性管增强层纤维交替缠绕角度、外保护层材料、内衬层厚度与外保护层厚度，确定柔性管的基础设计参数；5)初步截面设计，在单一内压、外压荷载作用下进行柔性管初步截面设计；6)单一设计拉伸荷载，用初始截面纤维层数建立柔性管整体分析模型，分别进行静力分析和动力分析，获得有效张力、曲率、弯矩数据；结合设计规范计算柔性管的单一设计拉伸荷载；7)柔性管强度校核，柔性管曲率校核，柔性管疲劳寿命校核；柔性管截面设计完成。2.根据权利要求1所述复合柔性管截面的设计方法，其特征在于，第5步骤，确定柔性管截面满足两种设计荷载的增强层纤维层数，使柔性管通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄敏，王宇，李想，张珈翊，王森，
申请(专利权)人：威海纳川管材有限公司，
类型：发明
国别省市：