斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法技术

本发明专利技术提供一种斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，该方法包括以下步骤，步骤S1，设置海床边界条件；步骤S2，计算等效质点质量与从质点初始位置向量；步骤S3，计算管道质点的位移和转角；步骤S4，计算梁单元内力；步骤S5，计算壳单元内力；步骤S6，计算管道质点外力；步骤S7，计算等效质点的力、力矩与质量惯性矩；步骤S8，更新质点位置和转角、更新计算时长。本发明专利技术采用一种梁

【技术实现步骤摘要】
斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法


[0001]本专利技术属于深海油气能源输送管道铺设安装
，具体涉及一种斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法。

技术介绍

[0002]海底管道输送油气能源由于具有连续、安全、输量大等特点，已经成为油气能源输送的主要方式之一。海洋油气能源主要位于深海以及超深海海域，开发潜力巨大。J型铺管法将管道以近乎垂直的角度从铺管船上的铺设塔伸入海中，显著减少所需的水平张力，明显缩短触地点和铺管船的距离，随着水深增加，J型铺管法的优势凸显，被认为是最适合超深海管道安装的方法，但同时复杂深海环境对管道铺设提出更大挑战。
[0003]深海J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。当前深海J型铺管计算以采用低维质点杆和梁单元的有限元为主，虽然计算方便、简单，但忽略了管道结构尺寸和局部特征；对深海铺管结构整体的完全精细化分析则受计算效率、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；另外有研究进行铺设管道局部分析，但无法考虑整体管道节点间的相互作用，管道受力和边界条件难以真实模拟整体铺管中的状态，最终造成分析结果失真。

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斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，旨在解决现有技术中存在的问题。
[0005]该方法包括以下步骤，步骤S1，设置海床边界条件；步骤S2，计算等效质点质量与从质点初始位置向量；步骤S3，计算管道质点的位移和转角；步骤S4，计算梁单元内力；步骤S5，计算壳单元内力；步骤S6，计算管道质点外力；步骤S7，计算等效质点的力、力矩与质量惯性矩；步骤S8，更新质点位置和转角、更新计算时长。本专利技术采用一种梁
‑
壳多尺度连接方法，兼顾管道整体与局部精细化静动力响应，更好模拟不同海床边界条件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]一种斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，其特征在于，首先设置管道、海床、海床土壤的初始参数，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“J”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，设置海床边界条件；
[0009]步骤S2，计算等效质点质量与从质点初始位置向量；
[0010]步骤S3，计算管道质点的位移和转角；
[0011]步骤S4，计算梁单元内力；
[0012]步骤S5，计算壳单元内力；
[0013]步骤S6，计算管道质点外力；
[0014]步骤S7，计算等效质点的力、力矩与质量惯性矩；
[0015]之后更新质点位置和转角，进入下一个时间步的循环，最终达到计算总时长，输出动力模拟计算结果。
[0016]进一步地，在步骤S1中，考虑了海床倾角θ＞0的正坡海床和海床倾角θ＜0的负坡海床；整体域坐标系(x,y,z)下，于平坦海床上设定一点(x0,d0)为斜坡海床的起点，用一组坐标函数表示该斜坡海床：
[0017][0018]其中，d
i
为斜坡表面上任一点的纵坐标；x
i
为斜坡表面上任一点的横坐标。
[0019]进一步地，步骤S2具体为：
[0020]步骤S21：整体域坐标系o
‑
xyz下，管道的初始位置为水平，顶端固定在铺管船J型管道铺设塔架上，底端自由；
[0021]步骤S22：将管道悬跨段离散成有限个梁质点和梁单元；触地区管道离散成有限个空间质点和壳单元，壳单元质量均匀分布在空间质点上，为便于描述质点与壳单元位置，建立壳单元局部坐标o
‑
x
i
y
i
z
i
和空间质点局部坐标o
‑
x
ii
y
ii
z
ii
；
[0022]步骤S23：在重力和浮力作用下，管道自由降落到达海床，底端锚固，形成“J”形态；
[0023]步骤S24：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，任一途径单元内质点P的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：
[0024][0025]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。
[0026]进一步地，在步骤S22中，
[0027]对于悬跨段，梁单元质量平均分配给相连接的两端质点，所受内力、外力及弯矩等效施加于两端质点，管道结构的受力和变形由各质点反映；对于触地区管道，壳单元质量均匀分布在空间质点上：
[0028][0029]其中，m
i
为质点i集中质量；M
i
为质点i自身质量；Ne为与质点i相连的壳单元数量；m
li
为与质点i连接的第l个壳单元均分质量，ρ
l
为壳单元l的密度；A
l
为壳单元
l的面积；h
l
为壳单元l的厚度；
[0030]壳单元局部坐标系下的主惯性矩阵为：
[0031][0032]将主惯性矩阵转换至全局坐标：
[0033][0034]其中，I
li
为壳单元l中质点i的惯性矩阵，Ω
l
为壳单元l局部坐标至全局坐标的转换矩阵；
[0035]质点的质量惯性矩阵I
i
为：
[0036][0037]其中，I
0i
为质点自身转动惯性矩阵。
[0038]进一步地，步骤S3具体为：
[0039]对于梁单元，在途径单元t
i
‑1≤t≤t
i
内，已知t
i
‑1时刻质点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：
[0040][0041]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；
[0042]对于壳单元，薄壳理论假定单元不发生面内扭转，单元质点控制方程需要在切平面坐标系中描述；质点i的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，其特征在于，首先设置管道、海床、海床土壤的初始参数，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“J”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，设置海床边界条件；步骤S2，计算等效质点质量与从质点初始位置向量；步骤S3，计算管道质点的位移和转角；步骤S4，计算梁单元内力；步骤S5，计算壳单元内力；步骤S6，计算管道质点外力；步骤S7，计算等效质点的力、力矩与质量惯性矩；之后更新质点位置和转角，进入下一个时间步的循环，最终达到计算总时长，输出动力模拟计算结果。2.根据权利要求1所述的斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，其特征在于：在步骤S1中，考虑了海床倾角θ＞0的正坡海床和海床倾角θ＜0的负坡海床；整体域坐标系(x,y,z)下，于平坦海床上设定一点(x0,d0)为斜坡海床的起点，用一组坐标函数表示该斜坡海床：其中，d
i
为斜坡表面上任一点的纵坐标；x
i
为斜坡表面上任一点的横坐标。3.根据权利要求2所述的斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，其特征在于：步骤S2具体为：步骤S21：整体域坐标系o
‑
xyz下，管道的初始位置为水平，顶端固定在铺管船J型管道铺设塔架上，底端自由；步骤S22：将管道悬跨段离散成有限个梁质点和梁单元；触地区管道离散成有限个空间质点和壳单元，壳单元质量均匀分布在空间质点上，为便于描述质点与壳单元位置，建立壳单元局部坐标o
‑
x
i
y
i
z
i
和空间质点局部坐标o
‑
x
ii
y
ii
z
ii
；步骤S23：在重力和浮力作用下，管道自由降落到达海床，底端锚固，形成“J”形态；步骤S24：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，任一途径单元内质点P的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。4.根据权利要求3所述的斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，其特征在于：在步骤S22中，对于悬跨段，梁单元质量平均分配给相连接的两端质点，所受内力、外力及弯矩等效施加于两端质点，管道结构的受力和变形由各质点反映；对于触地区管道，壳单元质量均匀分布在空间质点上：其中，m
i
为质点i集中质量；M
i
为质点i自身质量；Ne为与质点i相连的壳单元数量；m
li
为与质点i连接的第l个壳单元均分质量，ρ
l
为壳单元l的密度；A
l
为壳单元l的面积；h
l
为壳单元l的厚度；壳单元局部坐标系下的主惯性矩阵为：将主惯性矩阵转换至全局坐标：其中，I
li
为壳单元l中质点i的惯性矩阵，Ω
l
为壳单元l局部坐标至全局坐标的转换矩阵；质点的质量惯性矩阵I
i
为：：其中，I
0i
为质点自身转动惯性矩阵。5.根据权利要求4所述的斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，其特征在于：步骤S3具体为：对于梁单元，在途径单元t
i
‑1≤t≤t
i
内，已知t
i
‑1时刻质点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；对于壳单元，薄壳理论假定单元不发生面内扭转，单元质点控制方程需要在切平面坐
标系中描述；质点i的切平面法向量由与其相连单元法向量的平均向量求得：的平均向量求得：与的方向要求位于质点切平面，将质点位置向量、转角向量和转动惯性矩转换至质点切平面局部坐标系中：其中,为全局坐标至质点切平面坐标的转换矩阵,壳单元质点控制方程在局部坐标中求解，采用与梁单元相同的求解方式；对于梁
‑
壳单元连接截面处，由中央差分法求得等效质点t
i+1
时刻的位移和转角根据截面约束关系求得对应从质点的线位移根据截面约束关系求得对应从质点的线位移其中，R(Δθ)为转动矩阵,R(Δθ)＝I+(1
‑
cosθ)
·
A2+sinθ
·
A；I为(3
×
3)的单位矩阵；为从质点相对于主质点的位置向量；Δθ为t至t+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；从质点转角由壳单元质点在切平面局部坐标系中通过运动控制方程求得。6.根据权利要求5所述的斜坡海床下深海管道J型铺设多尺度连接数值模拟方法，其特征在于：步骤S4具体为：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
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：其中，为梁单元的长度变形l
i
‑1和l
i
分别为梁单元O
‑
J在t
i
‑1和t
i
时刻的跨度；j为梁质点的序号；为梁质点j的扭角和弯角矩阵；分别为梁质点在x、y、z轴的转角；
为梁单元从t
i
‑1时刻运动到t
i
时刻的节点转动；为梁单元逆向运动的一个刚体转动；分别为质点在各坐标面的转角；分别为各坐标面内的刚体转动；步骤S43：根据材料力学的挠曲理论计算内力增量：其中，k代表...

【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：