深海管道S型铺设精细化数值模拟方法技术

本发明专利技术提供一种深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，该方法包括以下步骤，步骤S1，基于等效质点法将管道离散成梁质点与梁单元，计算等效质点质量；步骤S2，计算等效质点的位移和转角；步骤S3，计算梁质点的位移和转角；步骤S4，计算管道梁质点的内力；步骤S5，计算管道梁质点的外力；步骤S6，计算管道等效质点的内力和外力；步骤S7，更新等效质点的位移和转角，直到达到计算总时长。本发明专利技术采用一种等效梁质点法，等效质点模拟管道整体动力行为，梁质点与梁单元模拟管道表面局部变形，兼顾管道整体与局部精细化静动力响应，更好模拟不同托管架滚轮类型下深海管道S型铺设关键区域的内力和变形，分析更加准确可靠。分析更加准确可靠。分析更加准确可靠。

【技术实现步骤摘要】
深海管道S型铺设精细化数值模拟方法


[0001]本专利技术属于深海油气能源输送管道铺设安装
，具体涉及一种深海管道S型铺设精细化数值模拟方法。

技术介绍

[0002]海底管道是目前海洋油气能源运输最经济、有效的方法。S型铺设法通过铺管船上张紧器张拉、经由托管架将管道铺设至海底，管道铺设时呈“S”型，具有适用于各种水深、铺设管径大、铺设速度快等优点，是海洋油气管道铺设最常用的方法。随着铺设水深增加，复杂深海环境对管道铺设提出更大挑战。
[0003]深海S型管道铺设静动力响应关键在于如何计算管道的受力与变形。S型铺设管道涉及材料性能、边界接触、大挠度几何变形等非线性，在触地区域受更小的弯矩和应力，动力响应较小，而在托管架区域保持高张力、弯矩和应力，动力响应显著，为保证管线的安全铺设，亟需探明管道整体静动力行为和托管架区域局部受力变形。当前深海S型铺管计算采用的基于低维杆梁单元的有限元分析方法重点关注管道铺设整体受力性能，但忽略了管道结构局部特征；对铺管结构整体的完全精细化分析则受到计算效率、方法的通用性、收敛的稳定性等多种因素的制约，一直未能完全实现。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种精确和高效的一种深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，旨在解决现有技术存在的问题。
[0005]该方法包括以下步骤，步骤S1，基于等效质点法将管道离散成梁质点与梁单元，计算等效质点质量；步骤S2，计算等效质点的位移和转角；步骤S3，计算梁质点的位移和转角；步骤S4，计算管道梁质点的内力；步骤S5，计算管道梁质点的外力；步骤S6，计算管道等效质点的内力和外力；步骤S7，更新等效质点的位移和转角，直到达到计算总时长。本专利技术采用一种等效梁质点法，等效质点模拟管道整体动力行为，梁质点与梁单元模拟管道表面局部变形，兼顾管道整体与局部精细化静动力响应，更好模拟不同托管架滚轮类型下管道关键区域的内力和变形，分析更加准确可靠。
[0006]本专利技术解决其技术问题具体采用的技术方案是：
[0007]一种深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，其特征在于，首先设置管道、海床、托管架及土壤的初始参数，设置计算时间步长和计算时间；然后在静力计算管道形成稳定“S”形态基础上，施加波浪流及船舶运动位移荷载，按照以下步骤进行动力循环计算：
[0008]步骤S1：基于等效质点法将管道离散成梁质点与梁单元，计算等效质点质量；
[0009]步骤S2：计算等效质点的位移和转角；
[0010]步骤S3：计算梁质点的位移和转角；
[0011]步骤S4：计算管道梁质点的内力；
[0012]步骤S5：计算管道梁质点的外力；
[0013]步骤S6，计算管道等效质点的内力和外力；
[0014]步骤S7，更新等效质点的位移和转角；
[0015]直到达到计算总时长，输出动力模拟计算结果。
[0016]进一步地，步骤S1具体包括：
[0017]步骤S11：整体域坐标系(x,y,z)下，管道的初始位置为水平，顶端固定于铺管船张紧器上，底端自由；
[0018]步骤S12：基于等效质点法，将管道离散成M
×
(N
‑
1)个无质量的梁单元、M
×
N个梁质点和N个等效质点。梁单元传递轴力、弯矩和扭矩，管道的质量与荷载均由梁质点承担；
[0019]步骤S13：管道在浮力及自重作用下自由下落至海床，底端锚固，形成“S”形态；
[0020]步骤S14：设初始和终止时间分别为t0和t
n
，将整个分析历时分成一组时间点t0,
…
,t
i
‑1,t
i
,t
i+1
,
…
,t
n
,时段t
i
‑
t
i+1
为一个途径单元，任一途径单元内空间质点P运动满足牛顿第二定律和胡克定律，加入一个虚拟的阻尼力，运动控制方程为：
[0021][0022]其中，m
P
和I
P
为质点P的质量和转动惯性矩矩阵；x
P
为质点P的线位移矩阵；θ
P
为质点P的角位移向量；t为时间；和分别为质点P所受的外力向量和内力向量；和分别为质点P所受的外力矩向量和内力矩向量；和分别为质点P所受的阻尼力和阻尼力矩向量。
[0023]进一步地，在步骤S12当中：将管道截面梁质点等效为一个质点，截面遵循平截面假定，且等效质点至梁质点的距离保持不变，梁单元采用的Euler
‑
Bernoulli梁理论涵盖平截面假定；等效质点处于管道截面中心，管道在受力运动和变形的过程中，质量不会发生改变，截面处等效质点的质量m
P
为：
[0024][0025]其中，m
J
为梁质点J的质量，n为管道截面隶属于等效质点的梁质点的个数。
[0026]进一步地，步骤S2具体为：在途径单元t
i
‑1≤t≤t
i
内，已知t
i
‑1时刻等效质点P的线位移和转角向量计算t
i+1
时刻的显示中央差分法公式为：
[0027][0028]其中，C1、C2为阻尼参量，C1＝1/(1+ζh/2)，C2＝C2(1
‑
ζh/2)；ζ为阻尼系数；h为时间步长。
[0029]进一步地，步骤S3具体为：已知t
i+1
时刻等效质点P的位置和转角向量可根据截面约束关系求得梁质点J的线位移根据平截面假定，向量随截面转动，转动角度与等效质点转角相同。即：
[0030][0031]R(Δθ)＝I+(1
‑
cosθ)
·
A2+sinθ
·
A
ꢀꢀꢀ
(5)
[0032][0033]其中，R(Δθ)为转动矩阵；I为(3
×
3)的单位矩阵；；为梁质点相对于等效质点的位置向量；Δθ为t
i
至t
i+1
时刻等效质点的转角增量向量；θ＝|Δθ|为转角增量值；A为Δθ分量构成的矩阵，[l,m,n]T
为转角增量的单位向量。
[0034]进一步地，步骤S4具体包括：
[0035]步骤S41：在主轴坐标中，由梁质点位置求出梁单元跨度l
i
‑1、l
i
，梁质点转角转换为主轴坐标分量
[0036]步骤S42：计算出t
i
‑1‑
t
i
时段内梁单元主轴方向变化向量、单元的变形，进一步计算出梁单元的变形、扭角及弯角：梁单元的变形、扭角及弯角的计算公式为：
[0037][0038]其中，为梁单元的长度变形l
i
‑1和l
i
分别为梁单元O本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，其特征在于，首先设置管道、海床、托管架及土壤的初始参数，设置计算时间步长和计算时间；然后在静力计算管道形成稳定“S”形态基础上，施加波浪流及船舶运动位移荷载，按照以下步骤进行动力循环计算：步骤S1：基于等效质点法将管道离散成梁质点与梁单元，计算等效质点质量；步骤S2：计算等效质点的位移和转角；步骤S3：计算梁质点的位移和转角；步骤S4：计算管道梁质点的内力；步骤S5：计算管道梁质点的外力；步骤S6，计算管道等效质点的内力和外力；步骤S7，更新等效质点的位移和转角；直到达到计算总时长，输出动力模拟计算结果。2.根据权利要求1所述的深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，其特征在于：步骤S1具体包括：步骤S11：整体域坐标系(x,y,z)下，管道的初始位置为水平，顶端固定于铺管船张紧器上，底端自由；步骤S12：基于等效质点法，将管道离散成M
×
(N
‑
1)个无质量的梁单元、M
×
N个梁质点和N个等效质点；梁单元传递轴力、弯矩和扭矩，管道的质量与荷载均由梁质点承担；步骤S13：管道在浮力及自重作用下自由下落至海床，底端锚固，形成“S”形态；步骤S14：设初始和终止时间分别为t0和t
n
，将整个分析历时分成一组时间点t0,
…
,t
i
‑1,t
i
,t
i+1
,
…
,t
n
,时段t
i
‑
t
i+1
为一个途径单元，任一途径单元内空间质点P运动满足牛顿第二定律和胡克定律，加入一个虚拟的阻尼力，运动控制方程为：其中，m
P
和I
P
为质点P的质量和转动惯性矩矩阵；x
P
为质点P的线位移矩阵；θ
P
为质点P的角位移向量；t为时间；和分别为质点P所受的外力向量和内力向量；和分别为质点P所受的外力矩向量和内力矩向量；和分别为质点P所受的阻尼力和阻尼力矩向量。3.根据权利要求2所述的深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，其特征在于：在步骤S12当中：将管道截面梁质点等效为一个质点，截面遵循平截面假定，且等效质点至梁质点的距离保持不变，梁单元采用的Euler
‑
Bernoulli梁理论涵盖平截面假定；等效质点处于管道截面中心，管道在受力运动和变形的过程中，质量不会发生改变，截面处等效质点的质量m
P
为：其中，m
J
为梁质点J的质量，n为管道截面隶属于等效质点的梁质点的个数。4.根据权利要求3所述的深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，其特征在于：
步骤S2具体为：在途径单元t
i
‑1≤t≤t
i
内，已知t
i
‑1时刻等效质点P的线位移和转角向量计算t
i+1
时刻的显示中央差分法公式为：其中，C1、C2为阻尼参量，C1＝1/(1+ζh/2)，C2＝C2(1
‑
ζh/2)；ζ为阻尼系数；h为时间步长。5.根据权利要求4所述的深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，其特征在于：步骤S3具体为：已知t
i+1
时刻等效质点P的位置和转角向量根据截面约束关系求得梁质点J的线位移根据平截面假定，向量随截面转动，转动角度与等效质点转角相同；即：R(Δθ)＝I+(1
‑
cosθ)
·
A2+sinθ
·
A
ꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，R(Δθ)为转动矩阵；I为(3
×
3)的单位矩阵；；为梁质点相对于等效质点的位置向量；Δθ为t
i
至t
i+1
时刻等效质点的转角增量向量；θ＝|Δθ|为转角增量值；A为Δθ分量构成的矩阵，[l,m,n]
T
为转角增量的单位向量。6.根据权利要求5所述的深海管道S型铺设精细化数值模拟方法，其特征在于：步骤S4具体包括：步骤S41：在主轴坐标中，由梁质点位置求出梁单元跨度l
i
‑1、l
i
，梁质点转角转换为主轴坐标分量步骤S42：计算出t
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‑1‑
t
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时段内梁单元主轴方向变化向量、单元的变形，进一步计算出梁单元的变形、扭角及弯角：梁单元的变形、扭角及弯角的计算公式为：其中，为梁单元的长度变形l
i
‑1和l
i
分别为梁单元O
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐普，胡一鸣，谢靖，张挺，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：