海洋纤维增强柔性管的扭转刚度解析计算方法技术

本发明专利技术涉及一种海洋纤维增强柔性管的扭转刚度计算方法，属于海洋工程技术领域

【技术实现步骤摘要】
海洋纤维增强柔性管的扭转刚度解析计算方法


[0001]本专利技术涉及一种海洋纤维增强柔性管的扭转刚度计算方法，属于海洋工程

。

技术介绍

[0002]相比传统钢管和非粘结柔性管，海洋纤维增强柔性管具有质量轻
、
耐腐蚀
、
可设计
、
易安装
、
好维护
、
抗疲劳等优点，越来越受到海洋工程领域研究者和工程师的重视和关注
。
应用海洋纤维增强柔性管进行超深水海洋环境下的油气生产和远海风电资源开发，逐渐成为可能
。
但是，这类管道具有相对复杂的结构，对其力学分析极具挑战
。
海洋纤维增强柔性管是一类三层粘结型管道，包含内外护套层和中间复合材料铺层，如图1所示
。
其中，内外护套层由各向同性的高分子聚合物材料制成，主要防止内外液体环境侵蚀复合材料铺层；中间复合材料铺层通常由多层玻纤带
、
碳纤带等纤维增强材料通过热熔的方式制造而成
。
特别地，复合材料铺层中，相邻铺层的纤维通常以一定角度沿相反方向铺设
。
[0003]在海洋油气管线设计中，计算管道的扭转刚度是必须的步骤
。
扭转刚度是进行管道整体静力分析
、
非线性动力分析
、
涡激振动分析和疲劳分析时必不可少的输入参数
。
根据
DNVGL
‑
RP
‑
F119
，管道设计者必须要在管道截面设计过程中给出管道的扭转刚度数值
。
然而，由于复杂的材料组成和纤维增强特性，计算和预测海洋纤维增强柔性管的扭转刚度具有较大难度
。
一方面，通过实验方法预测管道扭转刚度，结果受试件质量
、
实验条件等因素影响较大，同时，实验成本较高，周期较长
。
实验可以用于验证计算，却无法用于指导设计
。
另一方面，采用通用有限元软件计算管道的扭转刚度，需要对所设计的所有管道逐个建模，所需的计算机资源较大，费时费力
。
因为计算过程先有设计截面，后有扭转刚度结果，很容易漏选最优截面
。
因此，采用通用有限元软件进行设计，效果较差，工期较长
。
解析方法应用公式进行快速计算，具有明确的物理意义，在提高计算效率的同时可准确获得最优截面，但由于海洋纤维增强柔性管材料组成的复杂性，目前还没有这类解析方法或公式可以用于扭转刚度工程设计分析
。
因此，亟需发展一种适用于海洋纤维增强柔性管的扭转刚度解析计算方法，应用于管道截面设计，缩短设计周期，加快工程应用
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种海洋纤维增强柔性管的扭转刚度解析计算方法，突破纤维增强柔性管道截面设计无法进行扭转刚度解析计算的不足，可有效缩短设计周期
。
通过参数化输入，快速建立管道模型，预测管道扭转刚度，相比扭转测试和通用有限元软件数值模拟，具有较高的准确度和更快的计算速度
。
同时给出了纤维增强柔性管扭转刚度解析计算公式，具有明确的物理意义，构建了扭转刚度和截面半径
、
材料参数之间的内在联系，可用于指导海洋纤维增强柔性管截面设计，快速获取最优截面参数，为海洋纤维增强柔性管在深水和远海环境中安全服役提供科学指导
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0006]海洋纤维增强柔性管的扭转刚度计算方法，所述海洋纤维增强柔性管具有
i
层铺层，由内而外依次为第1铺层
、
……
第
i
铺层
……
、
第
n
铺层，
i
为大于1的自然数，
n
＝
i+1
；其中，第1铺层为内衬层，第
i
铺层为纤维增强层，第
n
铺层为外部保护套层，所述纤维增强层具有多层；其特征在于，包括以下步骤，
[0007]S1
，根据海洋纤维增强柔性管的截面参数，建立截面半径矩阵
r
和总坐标转换矩阵
T
；
[0008]S2
，根据纤维增强层的纤维增强复合材料的材料参数和内衬层
、
外部保护套层的材料参数建立材料主坐标系下海洋纤维增强柔性管各铺层的刚度矩阵
S
；
[0009]S3
，根据所述总坐标转换矩阵
T
和所述材料主坐标系下海洋纤维增强柔性管各铺层的刚度矩阵
S
，建立整体刚度矩阵
C
；
[0010]S4
，对所述的整体刚度矩阵
C
中的所有铺层的刚度，分别采用切应力互等定理，建立第
i
铺层切应力和之间的等式关系，以此求解得到第
i
铺层切应变和的表达式；
[0011]S5
，根据第
i
铺层切应变和计算第
i
铺层的应变能，并通过叠加计算得到单位长度海洋纤维增强柔性管的总应变能；同时，计算扭矩做功，根据正交各向异性体的应变能与扭矩做功等效，建立平衡方程，进一步推导得到海洋纤维增强柔性管的扭转刚度计算公式；将所述的截面半径矩阵
r
和所述的整体刚度矩阵
C
代入所述扭转刚度计算公式，得到海洋纤维增强柔性管的扭转刚度
。
[0012]根据本专利技术公开的实施例，步骤
S1
中，
[0013]所述截面半径矩阵
r
＝
[r1…
r
i
…
r
n r
n+1
]；其中，
r1为第1铺层内径，即，内衬层内径；
r
i
为第
i
铺层内径，即，第
i
‑1纤维增强层内径；
r
n
为外部护套层内径；
r
n+1
为外部护套层外径；
[0014]所述总坐标转换矩阵
T
＝
[t1…
t
i
…
t
n
]；其中，
t1和
t
n
分别代表内衬层和外部护套层的坐标转换矩阵，两者相等，形式如下：
[0015][0016]同时，
t
i
代表第
i
铺层的坐标转换矩阵，形式如下：
[0017][0018]其中，
φ
i
表示第
i
‑1层纤维增强层中的纤维缠绕角度
。
[0019]根据本专利技术公开的实施例，步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
海洋纤维增强柔性管的扭转刚度计算方法，所述海洋纤维增强柔性管具有
i
层铺层，由内而外依次为第1铺层
、
……
第
i
铺层
……
、
第
n
铺层，
i
为大于1的自然数，
n
＝
i+1
；其中，第1铺层为内衬层，第
i
铺层为纤维增强层，第
n
铺层为外部保护套层，所述纤维增强层具有多层；其特征在于，包括以下步骤，
S1
，根据海洋纤维增强柔性管的截面参数，建立截面半径矩阵
r
和总坐标转换矩阵
T
；
S2
，根据纤维增强层的纤维增强复合材料的材料参数和内衬层
、
外部保护套层的材料参数建立材料主坐标系下海洋纤维增强柔性管各铺层的刚度矩阵
S
；
S3
，根据所述总坐标转换矩阵
T
和所述材料主坐标系下海洋纤维增强柔性管各铺层的刚度矩阵
S
，建立整体刚度矩阵
C
；
S4
，对所述的整体刚度矩阵
C
中的所有铺层的刚度，分别采用切应力互等定理，建立第
i
铺层切应力和之间的等式关系，以此求解得到第
i
铺层切应变和的表达式；
S5
，根据第
i
铺层切应变和计算第
i
铺层的应变能，并通过叠加计算得到单位长度海洋纤维增强柔性管的总应变能；同时，计算扭矩做功，根据正交各向异性体的应变能与扭矩做功等效，建立平衡方程，进一步推导得到海洋纤维增强柔性管的扭转刚度计算公式；将所述的截面半径矩阵
r
和所述的整体刚度矩阵
C
代入所述扭转刚度计算公式，得到海洋纤维增强柔性管的扭转刚度
。2.
根据权利要求1所述的海洋纤维增强柔性管的扭转刚度计算方法，其特征在于，步骤
S1
中，所述截面半径矩阵
r
＝
[r1…
r
i
…
r
n r
n+1
]
；其中，
r1为第1铺层内径，即，内衬层内径；
r
i
为第
i
铺层内径，即，第
i
‑1纤维增强层内径；
r
n
为外部护套层内径；
r
n+1
为外部护套层外径；所述总坐标转换矩阵
T
＝
[t1…
t
i
…
t
n
]
；其中，
t1和
t
n
分别代表内衬层和外部护套层的坐标转换矩阵，两者相等，形式如下：同时，
t
i
代表第
i
铺层的坐标转换矩阵，形式如下：其中，
φ
i
表示第
i
‑1层纤维增强层中的纤维缠绕角度
。3.
根据权利要求1所述的海洋纤维增强柔性管的扭转刚度计算方法，其特征在于，步骤
S2
中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树青，刘文成，丁新东，叶笑寒，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：