CN103729504A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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郭绍曾
熊昊
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Abstract

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：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；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；隐式静力法分析管线的静态整体屈曲过程：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；在ABAQUS软件的LOAD模块中施加温度荷载与内压荷载；采用隐式静力分析步Riks模拟管线的静态屈曲整体过程。本发明可以有效的模拟细长的海底管线结构；并引入完全光滑的初始缺陷，避免应力集中，同时通过叠加引入管线的诸多模态可达到模拟真实高阶模态初始缺陷的目标。

Description

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
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。
所述的在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection语句的格式如下：
*Imperfection，file=（Fil文件名），step=（Buckle分析步名）
1，μ1
2，μ2
3，μ3
……
n，μn
其中n是引入模态的阶数，μn是引入模态阶数对应的比例因子，μn的取值在0～1之间，n的取值建议在1～10之内。
阶段3）所述的在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系包括：法向接触行为选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海底土体的摩擦系数为0.1～0.6。
阶段3）所述的温度荷载选择50℃～200℃。
阶段3）所述的内压荷载选择50MPa～100MPa。
阶段3）所述的模拟管线的静态屈曲整体过程具体是：设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Riks，通过修正的Riks法计算模拟管线的静态屈曲整体过程。
本发明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，是基于概率理论的模态方法引入海底管线的初始缺陷，进而开展三维模型的隐式静力数值分析，该方法可以有效的模拟细长的海底管线结构；并引入完全光滑的初始缺陷，避免应力集中，同时通过叠加引入管线的诸多模态可达到模拟真实高阶模态初始缺陷的目标；而且可以模拟管线在高温高压下的静态变化过程，对管线整体屈曲计算具有很好的收敛性，使得计算结果更能反映真实情况。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是管线屈曲模态分析模型图；
图3是管线整体屈曲分析模型图；
图4是不同温度荷载情况下管线沿轴向各点屈曲幅值变化；
图5是不同温度荷载情况下管线沿轴向各点轴向应力。
图中
a：三维梁元管线部件      b：三维实体单元海床土体部件
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明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做出详细说明。
本发明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，提出了一种基于概率理论的海底管线初始缺陷的模态引入方法，以此为基础建立了三维实体单元隐式静力模拟温压联合作用下的海底管线整体屈曲数值方法。本发明可以有效模拟海底管线的细长结构特点，可以较真实的还原海底管线初始缺陷形状，并可以实现对海底管线整体屈曲变形的静态模拟。
基于概率理论的模态分析法引入海底管线的初始缺陷，利用大型通用有限元软件ABAQUS的三维隐式静力方法分析模拟海底管线在高温高压下的静态整体屈曲变形过程，本发明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包括如下三个阶段。
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，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（特征值求解器），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；
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，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，格式如下：
*Imperfection，file=（Fil文件名），step=（Buckle分析步名）
1，μ1
2，μ2
3，μ3
……
n，μn
其中n是引入模态的阶数，μn是引入模态阶数对应的比例因子，μn的取值在0～1之间，n的取值建议在1～10之内；
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床表面的接触关系，其中法向接触行为建议选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海床的摩擦系数为0.1～0.6；
（2）在ABAQUS软件的LOAD模块中施加温度荷载与内压荷载，温度荷载选择50℃～200℃，内压荷载选择50MPa～100MPa；
（3）采用隐式静力分析步Riks模拟管线的静态屈曲整体过程
具体可以是：设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Riks（隐式静力求解器），通过修正的Riks法计算模拟管线的静态屈曲整体过程。
下面给出一个最佳实施例
某工程位于我国渤海，采用钢管运输油气，温度荷载为100℃、内压为80MPa管线与海床土体工程资料如表1与表2：
表1海底土体几何和物理力学参数
Figure BDA0000439752080000051
表2海底管线几何和物理力学参数
Figure BDA0000439752080000052
（1）进行管线屈曲模态分析
首先建立模型Model-1，创建三维实体单元管线部件Part-1，如图1所示，总长250m，截面尺寸与材料属性见表2；建立Buckle分析步，选择子空间求解器，温差100℃，80MPa内压；在*Restart语句后添加*Nodefile语句；提交计算，最后检查工作目录下是否有Job-1.fil文件生成。
（2）隐式静力法分析管线整体屈曲
新建模型Model-2，创建三维实体单元管线部件Part-1与三维实体单元海床土体部件Part-2，管线部件必须与Model-1一致，如图2所示。海床部件取600m×3m，截面尺寸与材料属性见表1与表2；创建Part-1与Part-2的接触关系，摩擦系数取0.4；创建Step-1用于静态整体屈曲分析，选取Riks求解器，设置管线两端为固定约束并施加100℃的温差与80MPa的内压；在*Step语句前添加*Imperfection语句：
*Imperfection，file=Job-1，step=1
1，0.15
2，0.1
最后提交Model-2进行计算分析。
（3）结果分析
图3为不同温度荷载情况下管线沿轴向各点屈曲幅值变化情况，由图可得管线随温度升高的整个屈曲破坏过程；图4为不同温度荷载情况下管线沿轴向各点的轴向应力，由图可以看出管线各点轴向应力随着温度升高的整个变化过程。

Claims (8)

1.一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，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述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，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述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，其特征在于，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。
4.根据权利要求3所述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，其特征在于，所述的在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection语句的格式如下：
*Imperfection，file=（Fil文件名），step=（Buckle分析步名）
1，μ1
2，μ2
3，μ3
……
n，μn
其中n是引入模态的阶数，μn是引入模态阶数对应的比例因子，μn的取值在0～1之间，n的取值建议在1～10之内。
5.根据权利要求1所述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，其特征在于，阶段3）所述的在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系包括：法向接触行为选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海底土体的摩擦系数为0.1～0.6。
6.根据权利要求1所述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，其特征在于，阶段3）所述的温度荷载选择50℃～200℃。
7.根据权利要求1所述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，其特征在于，阶段3）所述的内压荷载选择50MPa～100MPa。
8.根据权利要求1所述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，其特征在于，阶段3）所述的模拟管线的静态屈曲整体过程具体是：设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Riks，通过修正的Riks法计算模拟管线的静态屈曲整体过程。
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