[发明专利]深水顶张式立管全耦合动力分析方法

摘要

本发明涉及油气开发工程管道分析技术领域，尤其涉及深水顶张式立管全耦合动力分析方法。其分别建立油管、内层立管和外层立管的有限元模型；分别计算每根管模型的质量矩阵和刚度矩阵元素，形成每根管模型的质量矩阵阵和刚度矩阵，计算每根管的固有频率和振型，根据实际工程海域的海洋环境条件下计算涡激升力和脉动拖曳力的频率。本发明正确地描述了顶张式立管横向振动的实际受力和变形状态，提出了正确的分析方法。

主权项

深水顶张式立管全耦合动力分析方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)分别建立油管、内层立管和外层立管的有限元模型；由下列公式1分别计算每根管模型的质量矩阵和刚度矩阵元素，形成每根管模型的质量矩阵阵[M]和刚度矩阵[K]：Mi+k,j+k=m‾n∫0lnNiNjdxKi+k,j+k=EIn∫0lnNi′′Nj′′dx,(i,j=1,2,...,6;k=0,6;n=1,2,3)]]>式中：M,K分别为单元质量矩阵和刚度矩阵的元素；为管单元单位长度的质量；EI为截面抗弯刚度；N为单元插值函数；i,j为结点自由度，当i,j取值为1时，表示轴向变形自由度；当i,j取值为2、3时，表示截面两个主轴方向的变形自由度(弯曲变形引起的挠度)；当i,j取值分别为4、5、6时，表示绕x、y、z轴的转动自由度(转角变形)；n＝1,2,3分别表示油管、内层立管和外层立管；(2)由下列公式2分别计算每根管的固有频率ω和振型{φ}：([K]‑ω2[M]){φ}＝{0}(3)根据实际工程海域的海洋环境条件下由下列公式3计算涡激升力和脉动拖曳力的频率：fD＝2fL式中：fL,fD分别为涡激升力和脉动拖曳力的频率；St为斯托哈尔数，一般取0.18～0.2；Uw为海水流速；Douter为外层立管直径；(4)分别找出三根管与波浪力频率和涡激力(升力和拖曳力)频率最相近的频率及振型；(5)分别找出外层立管的振型节点、油管和内层立管的峰值点，并将这些点设置为有限元模型的单元节点，若这些结点中的某些结点之间的距离小于外层管直径，则删除距离较小的模型结点，以确保单元长度大于管模型直径；(6)步骤(5)中得到的单元结点作为立管中导向环位置，赋以同一个导向环位置的三根管模型结点相同的结点编号，使模型两端的结点也具有相同的结点编号；(7)根据步骤(6)中结点之间的最小距离对三根管模型进行单元划分，由此得到的单元结点可以具有相同的结点坐标，但不能具有相同的结点编号；(8)依据上述步骤得到的关于三根管模型的几何和物理参数，通过计算机程序计算弯曲刚度和拉压刚度；(9)继续对三根管模型施加约束及载荷，将管模型的下端的所有自由度进行约束，上端施加竖直方向的弹性约束，波浪和海流荷载仅施加在外层立管模型上；(10)对上述施加约束和载荷后的三个管模型进行有限元分析，分别得到三根管的结点位移、单元应力应变，并分别进行强度和疲劳校核；(11)利用单元插值函数计算每个单元的最大弯曲变形，分别校核三根管模型之间是否发生碰撞，完成对深水顶张式立管的动力分析。