[发明专利]一种海洋纤维增强柔性管轴向刚度计算方法及系统

说明书

本发明涉及一种海洋纤维增强柔性管轴向刚度计算方法及系统，包括：根据预设的初始材料参数建立第一刚度矩阵和柔度矩阵，并根据预设的初始截面几何参数建立半径矩阵和铺设角度矩阵；将第一刚度矩阵进行坐标转换，得到第二刚度矩阵；基于能量法的能量守恒原理建立平衡方程，并根据平衡方程计算轴向刚度，直至轴向刚度达到预设值时，根据轴向刚度对应的材料参数和截面几何参数获取海洋纤维增强柔性管的初步设计方案。本发明基于能量守恒原理建立了材料参数、截面几何参数与海洋纤维增强柔性管轴向刚度之间的联系，在提高计算效率的同时，可实现对管道截面的定向设计，并基于此在短期内获得满足用户要求的初步设计方案。

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，尤其涉及一种海洋纤维增强柔性管轴向刚度计算方法及系统。

背景技术

对于深水和超深水海洋环境下的油气生产，立管的安全性和可靠性至关重要。传统钢管抗腐蚀能力较差，因此亟需开发其它的管道输运方案。而海洋纤维增强柔性管具有较好的抗腐蚀能力和抗压能力、良好的热绝缘性、较高的刚度质量比、充足的柔性、较好的抗疲劳性能等，因此被广泛认为是传统钢管的替代品。目前，这类管道已经在中东和东南亚的一些浅水水域被当做注水管道和集油管道使用。海洋纤维增强柔性管具有三层结构，包括内外护套层和复合材料铺层，各层粘结成为一个整体，不存在层间摩擦和滑移。内外护套层通常由各向同性材料制成，比如高密度聚乙烯(PE)，聚酰胺树脂(PA)，聚偏氟乙烯(PVDF)等，主要用于防止内外液体环境对复合材料造成腐蚀。复合材料铺层是主要承力层，通常由玻纤带、碳纤带等纤维增强材料以一定的角度缠绕而成。

为了保证管道在海洋环境中的安全性，需要对管道的线型和动态响应进行整体分析，而在管道整体分析中，海洋纤维增强柔性管的轴向刚度是必不可少的参数。而海洋纤维增强柔性管的多材料、多角度、多层铺设的特点，给海洋纤维增强柔性管轴向刚度的确定带来了很大的挑战。目前通常采用实验和数值模拟的方法研究海洋纤维增强柔性管的轴向刚度。其中，实验需要根据管道尺寸对实验设备进行单独设计改造，这类实验设备通常形式复杂、外形庞大、造价较高，实验过程受设备改造情况、试件加工质量、试件工装等的影响较大。而数值模拟需要对每个模型进行单独建模，时间成本较高，耗费的计算资源较大，同时难以直观得到材料参数、截面参数与管道轴向刚度的内在联系，难以直接指导管道定向设计，很难在短时间内获得符合要求的截面设计。因此，需要通过合理的理论推导，开发可以预测海洋纤维增强柔性管轴向刚度的理论模型，建立管道截面几何参数、材料参数与轴向刚度之间的内在联系，对内径、铺层层数、铺设角度、铺层厚度和材料种类等几何和材料参数进行筛选，指导管道的截面设计，在短期内得到满足要求的初步设计方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种海洋纤维增强柔性管轴向刚度计算方法及系统。

本发明的一种海洋纤维增强柔性管轴向刚度计算方法的技术方案如下：

S1、根据对海洋纤维增强柔性管所预设的初始材料参数建立每一铺层的第一刚度矩阵和柔度矩阵，并根据对所述海洋纤维增强柔性管所预设的初始截面几何参数建立半径矩阵和铺设角度矩阵；

S2、基于所述铺设角度矩阵和每一铺层的所述柔度矩阵得到每一铺层对应的第一泊松比v_xy、第二泊松比v_xz和剪切耦合系数η；

S3、将每一铺层的所述第一刚度矩阵进行坐标转换，得到每一铺层的第二刚度矩阵；

S4、计算所述预设的初始材料参数和所述预设的初始截面几何参数对应的海洋纤维增强柔性管的总应变能，并基于拉力做功等于所述总应变能时建立的平衡方程得到轴向刚度计算公式，将所述半径矩阵和所述每一铺层对应的第一泊松比v_xy、第二泊松比v_xz、剪切耦合系数η、第二刚度矩阵代入所述轴向刚度计算公式，得到所述预设的初始材料参数和所述预设的初始截面几何参数对应的海洋纤维增强柔性管的轴向刚度；