[发明专利]基于模态引入初始缺陷的海底管线三维静态数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管线整体屈曲三维静力模拟方法。特别是涉及一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维静态数值模拟方法。

背景技术

为了满足生产工艺的要求，海底油气管线内部通常具有较高的输送压力和温度。而海底管线通常为无缝的钢质管线，在高压和高温的作用下管壁内部出现应力的累积，由于管线受到地基土的约束作用而无法完全自由变形释放应力，当累积的应力达到某一临界状态时，管线将发生整体屈曲。这种随机且不可控的整体屈曲是关系到海底管线运营安全的重大技术问题，也是海底管线设计中必须考虑的关键节点。

通常海底管线在制造和铺设过程中，会具有初始缺陷，而具有初始缺陷的管线在高温高压联合作用下，更易发生整体屈曲。较大的整体屈曲一方面可能导致管线中的弯曲应力增长，接近或达到钢材的屈服强度，对管线的安全运营造成威胁；另一方面发生变形的管线容易受到渔业活动和船只航行的影响，增加安全隐患；此外，屈曲变形可能导致管线配重层、保温层结构遭到破坏甚至进水，影响管线的正常使用。

开展海底管线在温压联合作用下的全尺寸室内试验和现场试验均有较大的难度，因此研发合适的数值模拟方法具有重要的意义。这一问题的难度体现在以下几个方面：一是研究的对象具有明显尺度特征即海底管线沿轴线方向的尺度远大于其截面尺度；二是合理的初始缺陷的引入使建立的几何模型具有反映管线真实情况的特征；三是采用可以捕捉管线在温压联合作用下变形静态发展的分析方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现对具有初始缺陷海底管线在高温高压下发生整体屈曲静态过程数值模拟的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维静态数值模拟方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维静态数值模拟方法，包括如下阶段：

1）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，计算管线特征屈曲模态；

2）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，重新建立用于静态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷；

3）隐式静力法分析管线的静态整体屈曲过程，包括如下步骤：

（1）在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系；

（2）在ABAQUS软件的LOAD模块中施加温度荷载与内压荷载；

（3）采用隐式静力分析步Riks模拟管线的静态屈曲整体过程。

阶段1）所述的计算管线特征屈曲模态，包括如下步骤：

（1）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS的PART模块建立海底管线的三维实体单元模型；

（2）根据管线的物理力学参数应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块赋予管线的材料属性；

（3）应用有限元软件ABAQUS的MESH模块划分步骤（1）得到的三维实体单元模型的网格；

（4）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块建立步骤（1）得到的三维实体单元模型的边界条件；

（5）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块对步骤（1）得到的三维实体单元模型施加温度荷载；

（6）设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Buckle，通过Buckle计算管线1～20阶特征屈曲模态；

（7）在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Restart语句后面添加*Nodefile语句，计算完成后，检查输出文件是否有管线模型的输出结果文件名.Fil文件。

阶段2）包括如下步骤：

（1）应用有限元软件ABAQUS的PART模块，根据管线的几何参数建立海底管线的三维实体单元模型，根据海底土体的几何参数建立海底土体的三维实体单元模型；

（2）应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块，根据管线的物理力学参数赋予管线的材料属性，根据海底土体的物理力学参数赋予海底土体的材料属性；

（3）应用有限元软件ABAQUS的MESH模块划分步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的网格，新建的海底管线的三维实体单元模型网格必须与阶段1）中的三维实体单元模型的网格完全一致；

（4）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块建立步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的边界条件；

（5）在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection语句。