基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法
【專利摘要】一種基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法：根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS，計算管線特征屈曲模態；根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS，重新建立用于動態屈曲分析的模型，并引入管線的初始缺陷；采用顯示動力法分析管線的動態整體屈曲過程：在ABAQUS軟件的INTERACTION模塊中建立管線與海底土體表面的接觸關系；在ABAQUS軟件的LOAD模塊中施加溫度荷載與內壓荷載；采用顯示動力分析步Dynamic-Explicit模擬管線的動態屈曲整體過程。本發明有效的模擬細長的海底管線結構；避免應力集中，同時通過疊加引入管線的諸多模態可達到模擬真實高階模態初始缺陷的目標。
【專利說明】基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種管線整體屈曲三維動力模擬方法。特別是涉及一種基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法。
【背景技術】
[0002]為了滿足生產工藝的要求，海底油氣管線內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管線，在高壓和高溫的作用下管壁內部出現應力的累積，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力，當累積的應力達到某一臨界狀態時，管線將發生整體屈曲。這種隨機且不可控的整體屈曲是關系到海底管線運營安全的重大技術問題，也是海底管線設計中必須考慮的關鍵節點。
[0003]通常海底管線在制造和鋪設過程中，會具有初始缺陷，而具有初始缺陷的管線在高溫高壓聯合作用下，更易發生整體屈曲。較大的整體屈曲一方面可能導致管線中的彎曲應力增長，接近或達到鋼材的屈服強度，對管線的安全運營造成威脅；另一方面發生變形的管線容易受到漁業活動和船只航行的影響，增加安全隱患；此外，屈曲變形可能導致管線配重層、保溫層結構遭到破壞甚至進水，影響管線的正常使用。
[0004]開展海底管線在溫壓聯合作用下的全尺寸室內試驗和現場試驗均有較大的難度，因此研發合適的數值模擬方法具有重要的意義。這一問題的難度體現在以下幾個方面: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合作用下變形動態發展的分析方法。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠實現對具有初始缺陷海底管線在高溫高壓下發生整體屈曲動態過程數值模擬的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法。
[0006]本發明所采用的技術方案是:一種基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，包括如下階段:
[0007]I)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS，計算管線特征屈曲模態；
[0008]2)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS，重新建立用于動態屈曲分析的模型，并引入管線的初始缺陷；
[0009]3)采用顯示動力法分析管線的動態整體屈曲過程，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系；
[0011](2)在ABAQUS軟件的LOAD模塊中施加溫度荷載與內壓荷載；
[0012](3)采用顯示動力分析步Dynamic-Explicit模擬管線的動態屈曲整體過程。
[0013]階段I)所述的計算管線特征屈曲模態，包括如下步驟:
[0014](I)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS的PART模塊建立海底管線的三維實體單元模型；
[0015](2)根據管線的物理力學參數應用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊賦予管線的材料屬性；
[0016](3)應用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的三維實體單元模型的網格；
[0017](4)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的三維實體單元模型的邊界條件；
[0018](5)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊對步驟(1)得到的三維實體單元模型施加溫度荷載；
[0019](6)設置有限元軟件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；
[0020](7)在有限元軟件ABAQUS的關鍵詞編輯器中*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果文件名.Fil文件。
[0021]階段2)包括如下步驟:
[0022](I)應用有限元軟件ABAQUS的PART模塊，根據管線的幾何參數建立海底管線的三維實體單元模型，根據海底土體的幾何參數建立海底土體的三維實體單元模型；
[0023](2)應用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊，根據管線的物理力學參數賦予管線的材料屬性，根據海底土體的物理力學參數賦予海底土體的材料屬性；
[0024](3)應用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的海底管線的三維實體單元模型和海底土體的三維實體單元模型的網格，新建的海底管線的三維實體單元模型網格必須與階段I)中的三維實體單元模型的網格完全一致；
[0025](4)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的海底管線的三維實體單元模型和海底土體的三維實體單元模型的邊界條件；
[0026](5)在有限元軟件ABAQUS的關鍵詞編輯器中*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 !
[0030]2, μ 2
[0031]3， μ 3
[0032]......[0033]η, μ η
[0034]其中η是引入模態的階數，μ η是引入模態階數對應的比例因子，UnW取值在O~I之間，η的取值建議在I~10之內。
[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，輸入管線與海底土體的摩擦系數為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)所述的內壓荷載選擇50MPa?lOOMPa。
[0038]階段3)所述的模擬管線的動態屈曲整體過程具體是:設置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Dynamic-Explicit,通過Dynamic-Explicit計算模擬管線的動態屈曲整體過程。
[0039]本發明的模態法引入初始缺陷的管線整體屈曲三維動力模擬方法，是基于概率理論的模態方法引入海底管線的初始缺陷，進而開展三維模型的顯示動力數值分析，該方法可以有效的模擬細長的海底管線結構；并引入完全光滑的初始缺陷，避免應力集中，同時通過疊加引入管線的諸多模態可達到模擬真實高階模態初始缺陷的目標；而且可以模擬管線在高溫高壓下的動態變化過程，對管線整體屈曲計算具有很好的收斂性，使得計算結果更能反映真實情況。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1是本發明方法的流程圖；
[0041]圖2是管線屈曲模態分析模型圖；
[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力。
[0045]圖中
[0046]a:三維實體管線部件 b:三維實體單元海底土體部件【具體實施方式】
[0047]下面結合實施例和附圖對本發明的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法做出詳細說明。
[0048]本發明的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，提出了一種基于概率理論的海底管線初始缺陷的模態引入方法，以此為基礎建立了三維實體單元顯示動力模擬溫壓聯合作用下的海底管線整體屈曲數值方法。本發明可以有效模擬海底管線的細長結構特點，可以較真實的還原海底管線初始缺陷形狀，并可以實現對海底管線整體屈曲變形的動態模擬。
[0049]基于概率理論的模態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的三維顯示動力方法分析模擬海底管線在高溫高壓下的動態整體屈曲變形過程，本發明的模態法引入初始缺陷的管線整體屈曲三維動力模擬方法包括如下三個階段。
[0050]I)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS，計算管線特征屈曲模態，包括如下步驟:
[0051](I)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS的PART模塊建立海底管線的三維實體單元模型；
[0052](2)根據管線的物理力學參數應用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊賦予管線的材料屬性；
[0053](3)應用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(I)得到的三維實體單元模型的網格；[0054](4)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的三維實體單元模型的邊界條件；
[0055](5)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊對步驟(1)得到的三維實體單元模型施加溫度荷載；
[0056](6)設置有限元軟件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；
[0057](7)在有限元軟件ABAQUS的關鍵詞編輯器中^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.輸出結果文件名.Fil文件；
[0058]2)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS，重新建立用于動態屈曲分析的模型，并引入管線的初始缺陷，包括如下步驟:
[0059](I)應用有限元軟件ABAQUS的PART模塊，根據管線的幾何參數建立海底管線的三維實體單元模型，根據海底土體的幾何參數建立海底土體的三維實體單元模型；
[0060](2)應用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊，根據管線的物理力學參數賦予管線的材料屬性，根據海底土體的物理力學參數賦予海底土體的材料屬性；
[0061](3)應用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的海底管線的三維實體單元模型和海底土體的三維實體單元模型的網格，新建的海底管線的三維實體單元模型網格必須與階段I)中的三維實體單元模型的網格完全一致；
[0062](4)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的海底管線的三維實體單元模型和海底土體的三維實體單元模型的邊界條件；
[0063](5)在有限元軟件ABAQUS的關鍵詞編輯器中*Step語句中添加5IiImperfectiorHI^句，格式如下:
[0064]^Imperfection, file= (Fil 文件名)，step= (Buckle 分析步名)
[0065]I, μ !
[0066]2, μ 2
[0067]3， μ 3
[0068]......[0069]η, μ η
[0070]其中η是引入模態的階數，μ η是引入模態階數對應的比例因子，UnW取值在O~I之間，η的取值建議在I~10之內；
[0071]3)采用顯示動力法分析管線的動態整體屈曲過程，包括如下步驟:
[0072](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，輸入管線與海底土體的摩擦系數為0.1~0.6 ;
[0073](2)在ABAQUS軟件的LOAD模塊中施加溫度荷載與內壓荷載，溫度荷載選擇500C _200°C，內壓荷載選擇 50MPa-100MPa ；
[0074](3)采用顯示動力分析步Dynamic-Explicit模擬管線的動態屈曲整體過程
[0075]設置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Dynamic-Explicit (顯示動力求解器)，通過Dynamic-Explicit計算模擬管線的動態屈曲整體過程。
[0076]下面給出一個最佳實施例[0077]某工程位于我國渤海，采用鋼管運輸油氣，溫度荷載為100°C、內壓為SOMPa管線與海底土體工程資料如表1與表2:
[0078]表1海底土體幾何和物理力學參數
[0079]
【權利要求】
1.一種基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，其特征在于，包括如下階段: 1)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS，計算管線特征屈曲模態； 2)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS，重新建立用于動態屈曲分析的模型，并引入管線的初始缺陷； 3 )采用顯示動力法分析管線的動態整體屈曲過程，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系； (2)在ABAQUS軟件的LOAD模塊中施加溫度荷載與內壓荷載； (3)采用顯示動力分析步Dynamic-Explicit模擬管線的動態屈曲整體過程。
2.根據權利要求1所述的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，其特征在于，階段I)所述的計算管線特征屈曲模態，包括如下步驟: (1)根據管線的幾何參數應用有限元軟件ABAQUS的PART模塊建立海底管線的三維實體單元模型； (2)根據管線的物理力學參數應用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊賦予管線的材料屬性； (3)應用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的三維實體單元模型的網格；· (4)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的三維實體單元模型的邊界條件； (5)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊對步驟(1)得到的三維實體單元模型施加溫度荷載； (6)設置有限元軟件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； (7)在有限元軟件ABAQUS的關鍵詞編輯器中^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果文件名.Fil文件。
3.根據權利要求1所述的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，其特征在于，階段2)包括如下步驟: (1)應用有限元軟件ABAQUS的PART模塊，根據管線的幾何參數建立海底管線的三維實體單元模型，根據海底土體的幾何參數建立海底土體的三維實體單元模型； (2)應用有限元軟件ABAQUS的MATERIAL模塊，根據管線的物理力學參數賦予管線的材料屬性，根據海底土體的物理力學參數賦予海底土體的材料屬性； (3)應用有限元軟件ABAQUS的MESH模塊劃分步驟(1)得到的海底管線的三維實體單元模型和海底土體的三維實體單元模型的網格，新建的海底管線的三維實體單元模型網格必須與階段I)中的三維實體單元模型的網格完全一致； (4)應用有限元軟件ABAQUS的LOAD模塊建立步驟(1)得到的海底管線的三維實體單元模型和海底土體的三維實體單元模型的邊界條件； (5)在有限元軟件ABAQUS的關鍵詞編輯器中*Step語句中添加^Imperfection語句。
4.根據權利要求3所述的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，其特征在于，所述的在有限元軟件ABAQUS的關鍵詞編輯器中*St ep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,μ1 .
2,μ 2.
3，μ3
η, μ η 其中η是引入模態的階數，μ η是引入模態階數對應的比例因子，μ η的取值在O~I之間，η的取值建議在I~10之內。
5.根據權利要求1所述的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，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，輸入管線與海底土體的摩擦系數為0.1~0.6。
6.根據權利要求1所述的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，其特征在于，階段3)所述的溫度荷載選擇50°C~200°C。
7.根據權利要求1所述的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，其特征在于，階段3)所述的內壓荷載選擇50MPa~lOOMPa。
8.根據權利要求1所述的基于模態引入初始缺陷的海底管線三維動力數值模擬方法，其特征在于，階段3)所述的模擬管線的動態屈曲整體過程具體是:設置有限元軟件ABAQUS的STEP模塊中的分析步類型為Dynamic-Explicit,通過Dynamic-Explicit計算模擬管線的動態屈曲整體過程。
【文檔編號】G06F17/50GK103714207SQ201310718680
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】劉潤, 郭紹曾, 熊昊 申請人:天津大學