基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法
【專利摘要】一種基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法：根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，計算管線特征屈曲模態(tài)；根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，重新建立用于靜態(tài)屈曲分析的模型，并引入管線的初始缺陷；采用隱式靜力法分析管線的靜態(tài)整體屈曲過程，即：在ABAQUS軟件的INTERACTION模塊中建立管線與海底土體表面的接觸關(guān)系；在ABAQUS軟件的LOAD模塊中施加溫度荷載與內(nèi)壓荷載；采用隱式靜力分析步Riks模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程。本發(fā)明有效的模擬細長的海底管線結(jié)構(gòu)；并引入完全光滑的初始缺陷，避免應(yīng)力集中，同時通過疊加引入管線的諸多模態(tài)可達到模擬真實高階模態(tài)初始缺陷的目標(biāo)。
【專利說明】基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種管線整體屈曲二維靜力模擬方法。特別是涉及一種基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，海底油氣管線內(nèi)部通常具有較高的輸送壓力和溫度。而海底管線通常為無縫的鋼質(zhì)管線，在高壓和高溫的作用下管壁內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力的累積，由于管線受到地基土的約束作用而無法完全自由變形釋放應(yīng)力，當(dāng)累積的應(yīng)力達到某一臨界狀態(tài)時，管線將發(fā)生整體屈曲。這種隨機且不可控的整體屈曲是關(guān)系到海底管線運營安全的重大技術(shù)問題，也是海底管線設(shè)計中必須考慮的關(guān)鍵節(jié)點。
[0003]通常海底管線在制造和鋪設(shè)過程中，會具有初始缺陷，而具有初始缺陷的管線在高溫高壓聯(lián)合作用下，更易發(fā)生整體屈曲。較大的整體屈曲一方面可能導(dǎo)致管線中的彎曲應(yīng)力增長，接近或達到鋼材的屈服強度，對管線的安全運營造成威脅；另一方面發(fā)生變形的管線容易受到漁業(yè)活動和船只航行的影響，增加安全隱患；此外，屈曲變形可能導(dǎo)致管線配重層、保溫層結(jié)構(gòu)遭到破壞甚至進水，影響管線的正常使用。
[0004]開展海底管線在溫壓聯(lián)合作用下的全尺寸室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗均有較大的難度，因此研發(fā)合適的數(shù)值模擬方法具有重要的意義。這一問題的難度體現(xiàn)在以下幾個方面:一是研究的對象具有明顯尺度特征即海底管線沿軸線方向的尺度遠大于其截面尺度；二是合理的初始缺陷的引入使建立的幾何模型具有反映管線真實情況的特征；三是采用可以捕捉管線在溫壓聯(lián)合作用下變形靜態(tài)發(fā)展的分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對具有初始缺陷海底管線在高溫高壓下發(fā)生整體屈曲靜態(tài)過程數(shù)值模擬的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，包括如下階段:
[0007]I)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，計算管線特征屈曲模態(tài)；
[0008]2)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，重新建立用于靜態(tài)屈曲分析的模型，并引入管線的初始缺陷；
[0009]3)采用隱式靜力法分析管線的靜態(tài)整體屈曲過程，包括如下步驟:
[0010](I)在ABAQUS軟件的INTERACTION模塊中建立管線與海底土體表面的接觸關(guān)系；
[0011](2)在ABAQUS軟件的LOAD模塊中施加溫度荷載與內(nèi)壓荷載；
[0012](3)采用隱式靜力分析步Riks模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程。
[0013]階段I)所述的計算管線特征屈曲模態(tài)，包括如下步驟:
[0014](I)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的PART模塊建立海底管線的二維梁單元模型；
[0015](2)根據(jù)管線的物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊賦予管線的材料屬性；
[0016](3)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的二維梁單元模型的網(wǎng)格；
[0017](4)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的二維梁單元模型的邊界條件；
[0018](5)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊對步驟(1)得到的二維梁單元模型施加溫度荷載；
[0019](6)設(shè)置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Buckle，通過Buckle計算管線I~20階特征屈曲模態(tài)；
[0020](7)在有限元軟件ABAQUS的關(guān)鍵詞編輯器中*Restart語句后面添加*Nodefile語句，計算完成后，檢查輸出文件是否有管線模型的輸出結(jié)果文件名.Fil文件。
[0021]階段2)包括如下步驟:
[0022](I)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的PART模塊，根據(jù)管線的幾何參數(shù)建立海底管線的二維梁單元模型，根據(jù)海底土體的幾何參數(shù)建立海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型；
[0023](2)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊，根據(jù)管線的物理力學(xué)參數(shù)賦予管線的材料屬性，根據(jù)海底土體的物理力學(xué)參數(shù)賦予海底土體的材料屬性；
`[0024](3)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的海底管線的二維梁單元模型和海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型的網(wǎng)格，新建的海底管線的二維梁單元模型網(wǎng)格必須與階段I)中的二維梁單元模型的網(wǎng)格完全一致；
[0025](4)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的海底管線的二維梁單元模型和海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型的邊界條件；
[0026](5)在有限元軟件ABAQUS的關(guān)鍵詞編輯器中*Step語句中添加5IiImperfectiorHI^句。
[0027]所述的在有限元軟件ABAQUS的關(guān)鍵詞編輯器中*Step語句中添加^Imperfection語句的格式如下:
[0028]^Imperfection, file= (Fil 文件名)，step= (Buckle 分析步名)
[0029]I, μ I
[0030]2, μ 2
[0031]3， μ 3
[0032]......[0033]η, μ η
[0034]其中η是引入模態(tài)的階數(shù)，μ η是引入模態(tài)階數(shù)對應(yīng)的比例因子，μ η的取值在O~I之間，η的取值建議在I~10之內(nèi)。
[0035]階段3)所述的在ABAQUS軟件的INTERACTION模塊中建立管線與海底土體表面的接觸關(guān)系包括:法向接觸行為選擇硬接觸，切向接觸行為選擇罰函數(shù)，輸入管線與海底土體的摩擦系數(shù)為0.1~0.6。
[0036]階段3)所述的溫度荷載選擇50°C~200°C。[0037]階段3)所述的內(nèi)壓荷載選擇50MPa~lOOMPa。
[0038]階段3)所述的模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程具體是:設(shè)置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Riks，通過修正的Riks法計算模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程。
[0039]本發(fā)明的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，是基于概率理論的模態(tài)方法引入海底管線的初始缺陷，進而開展二維模型的隱式靜力數(shù)值分析，該方法可以有效的模擬細長的海底管線結(jié)構(gòu)；并引入完全光滑的初始缺陷，避免應(yīng)力集中，同時通過疊加引入管線的諸多模態(tài)可達到模擬真實高階模態(tài)初始缺陷的目標(biāo)；而且可以模擬管線在高溫高壓下的靜態(tài)變化過程，對管線整體屈曲計算具有很好的收斂性，使得計算結(jié)果更能反映真實情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1是本發(fā)明方法的流程圖；
[0041]圖2是管線屈曲模態(tài)分析模型圖；
[0042]圖3是管線整體屈曲分析模型圖；
[0043]圖4是不同溫度荷載情況下管線沿軸向各點屈曲幅值變化；
[0044]圖5是不同溫度 荷載情況下管線沿軸向各點軸向應(yīng)力。
[0045]圖中
[0046]a:二維梁單元管線部件b:二維平面應(yīng)變單元海底土體部件【具體實施方式】
[0047]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法做出詳細說明。
[0048]本發(fā)明的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，提出了一種基于概率理論的海底管線初始缺陷的模態(tài)引入方法，以此為基礎(chǔ)建立了二維梁單元隱式靜力模擬溫壓聯(lián)合作用下的海底管線整體屈曲數(shù)值方法。本發(fā)明可以有效模擬海底管線的細長結(jié)構(gòu)特點，可以較真實的還原海底管線初始缺陷形狀，并可以實現(xiàn)對海底管線整體屈曲變形的靜態(tài)模擬。
[0049]基于概率理論的模態(tài)分析法引入海底管線的初始缺陷，利用大型通用有限元軟件ABAQUS的二維隱式靜力方法分析模擬海底管線在高溫高壓下的靜態(tài)整體屈曲變形過程，本發(fā)明的模態(tài)法引入初始缺陷的管線整體屈曲二維靜力模擬方法包括如下三個階段。
[0050]I)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，計算管線特征屈曲模態(tài)，包括如下步驟:
[0051](I)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的PART模塊建立海底管線的二維梁單元模型；
[0052](2)根據(jù)管線的物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊賦予管線的材料屬性；
[0053](3)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的二維梁單元模型的網(wǎng)格；
[0054](4)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的二維梁單元模型的邊界條件；
[0055](5)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊對步驟(1)得到的二維梁單元模型施加溫度荷載；
[0056](6)設(shè)置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Buckle (特征值求解器)，通過Buckle計算管線I~20階特征屈曲模態(tài)；
[0057](7)在有限元軟件ABAQUS的關(guān)鍵詞編輯器中^Restart語句后面添加*Nodefile語句，計算完成后，檢查輸出文件是否有管線模型的.輸出結(jié)果文件名.Fil文件；
[0058]2)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，重新建立用于靜態(tài)屈曲分析的模型，并引入管線的初始缺陷，包括如下步驟:
[0059](I)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的PART模塊，根據(jù)管線的幾何參數(shù)建立海底管線的二維梁單元模型，根據(jù)海底土體的幾何參數(shù)建立海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型；
[0060](2)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊，根據(jù)管線的物理力學(xué)參數(shù)賦予管線的材料屬性，根據(jù)海底土體的物理力學(xué)參數(shù)賦予海底土體的材料屬性；
[0061](3)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的海底管線的二維梁單元模型和海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型的網(wǎng)格，新建的海底管線的二維梁單元模型網(wǎng)格必須與階段I)中的二維梁單元模型的網(wǎng)格完全一致；
[0062](4)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的海底管線的二維梁單元模型和海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型的邊界條件；
[0063](5)在有`限元軟件ABAQUS的關(guān)鍵詞編輯器中*Step語句中添加5IiImperfectiorHI^句，
[0064]格式如下:
[0065]^Imperfection, file= (Fil 文件名)，step= (Buckle 分析步名)
[0066]I, μ I
[0067]2， μ 2
[0068]3, μ 3
[0069]......[0070]η, μ η
[0071]其中η是引入模態(tài)的階數(shù)，μ η是引入模態(tài)階數(shù)對應(yīng)的比例因子，μ η的取值在O~I之間，η的取值建議在I~10之內(nèi)；
[0072]3)采用隱式靜力法分析管線的靜態(tài)整體屈曲過程，包括如下步驟:
[0073](I)在ABAQUS軟件的INTERACTION模塊中建立管線與海底土體表面的接觸關(guān)系，其中法向接觸行為建議選擇硬接觸，切向接觸行為選擇罰函數(shù)，輸入管線與海底土體的摩擦系數(shù)為0.1~0.6 ;
[0074](2 )在ABAQUS軟件的LOAD模塊中施加溫度荷載與內(nèi)壓荷載，溫度荷載選擇50°C~200°C，內(nèi)壓荷載選擇50MPa~IOOMPa ；
[0075](3)采用隱式靜力分析步Riks模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程
[0076]具體可以是:設(shè)置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Riks (隱式靜力求解器)，通過修正的Riks法計算模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程。
[0077]下面給出一個最佳實施例[0078]某工程位于我國渤海，采用鋼管運輸油氣，溫度荷載為100°C、內(nèi)壓為SOMPa管線與海底土體工程資料如表1與表2:
[0079]表1海底土體幾何和物理力學(xué)參數(shù)
[0080]
【權(quán)利要求】
1.一種基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括如下階段: 1)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，計算管線特征屈曲模態(tài)； 2)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，重新建立用于靜態(tài)屈曲分析的模型，并引入管線的初始缺陷； 3)采用隱式靜力法分析管線的靜態(tài)整體屈曲過程，包括如下步驟: (1)在ABAQUS軟件的INTERACTION模塊中建立管線與海底土體表面的接觸關(guān)系； (2)在ABAQUS軟件的LOAD模塊中施加溫度荷載與內(nèi)壓荷載； (3)采用隱式靜力分析步Riks模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，其特征在于，階段I)所述的計算管線特征屈曲模態(tài)，包括如下步驟: (1)根據(jù)管線的幾何參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的PART模塊建立海底管線的二維梁單元模型； (2)根據(jù)管線的物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊賦予管線的材料屬性； (3)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的二維梁單元模型的網(wǎng)格； (4)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的二維梁單元模型的邊界條件； (5)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊對步驟(1)得到的二維梁單元模型施加溫度荷載； (6)設(shè)置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Buckle，通過Buckle計算管線I~20階特征屈曲模態(tài)； (7)在有限元軟件ABAQUS的關(guān)鍵詞編輯器中^Restart語句后面添加*Nodefile語句，計算完成后，檢查輸出文件是否有管線模型的輸出結(jié)果文件名.Fil文件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，其特征在于，階段2)包括如下步驟: (1)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的PART模塊，根據(jù)管線的幾何參數(shù)建立海底管線的二維梁單元模型，根據(jù)海底土體的幾何參數(shù)建立海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型； (2)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊，根據(jù)管線的物理力學(xué)參數(shù)賦予管線的材料屬性，根據(jù)海底土體的物理力學(xué)參數(shù)賦予海底土體的材料屬性； (3)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的海底管線的二維梁單元模型和海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型的網(wǎng)格，新建的海底管線的二維梁單元模型網(wǎng)格必須與階段I)中的二維梁單元模型的網(wǎng)格完全一致； (4)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的海底管線的二維梁單元模型和海底土體的二維平面應(yīng)變單元模型的邊界條件； (5)在有限元軟件ABAQUS的關(guān)鍵詞編輯器中*Step語句中添加^Imperfection語句。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，其特征在于，所述的在有限元軟件ABAQUS的關(guān)鍵詞編輯器中*Step語句中添加*Imperfection語句的格式如下:^Imperfection, file= (Fil 文件名)，step= (Buckle 分析步名) . 1,μ I
.2,μ 2 . 3，μ 3
η, μ η 其中η是引入模態(tài)的階數(shù)，μ η是引入模態(tài)階數(shù)對應(yīng)的比例因子，μη的取值在O~I之間，η的取值建議在I~10之內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，其特征在于，階段3)所述的在ABAQUS軟件的INTERACTION模塊中建立管線與海底土體表面的接觸關(guān)系包括:法向接觸行為選擇硬接觸，切向接觸行為選擇罰函數(shù)，輸入管線與海底土體的摩擦系數(shù)為0.1~0.6。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，其特征在于，階段3)所述的溫度荷載選擇50°C~200°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，其特征在于，階段3)所述的內(nèi)壓荷載選擇50MPa~lOOMPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模態(tài)引入初始缺陷的海底管線二維靜態(tài)數(shù)值模擬方法，其特征在于，階段3)所述的模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程具體是:設(shè)置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Riks，通過修正的Riks法計算模擬管線的靜態(tài)屈曲整體過程。
【文檔編號】G06F17/50GK103714206SQ201310718679
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】劉潤, 郭紹曾, 熊昊 申請人:天津大學(xué)