CN112733341A - 一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，包括，S1，构建各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵；S2，设置循环体；S3，基于均质化的受力分析方法，根据材料柔度矩阵分析出在当前载荷下各铺层的应力分布；S4，基于失效准则，分析出失效位置及失效模式；S5，基于主导失效模式的刚度退化模型对材料柔度矩阵进行刚度退化；S6，逐步增大当前载荷并根据刚度退化后的材料柔度矩阵循环执行S3至S5。本发明极大地简化了纤维增强柔性管的应力分析过程，不需要求解应力函数，避开了应力函数矩阵奇异、应力公式复杂等缺点；同时可以准确预测海洋纤维增强柔性管的渐进失效过程及极限承载能力。

Description

一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法。

背景技术

海洋柔性管具有运输速度快，成本低，安全性好，效率高的优点，是海上油气资源开发的关键装备。和传统钢制管道及非粘结柔性管相比，海洋纤维增强柔性管具有较好的抗腐蚀能力和抗压能力、良好的热传导性能、高刚度质量比以及便于安装和维护等优点，在海洋工程领域被认为具有良好的应用前景。这些优点主要在于海洋纤维增强柔性管特殊的铺层结构。海洋纤维增强柔性管具有三层结构，包括内衬层、复合材料铺层和外保护层。三层结构粘结成为一个整体，不存在层间摩擦和滑移。其中，内衬层和外保护层通常由均质材料制成，比如高密度聚乙烯(PE)，聚酰胺树脂(PA)，聚偏氟乙烯(PVDF)。它们的作用主要是防止内外液体环境对复合材料铺层产生侵蚀作用。复合材料铺层作为主要承力层，通常由玻纤带、碳纤带或PEEK纤维带以一定的角度缠绕铺设而成。

正是海洋纤维增强柔性管具有多种材料、多种铺设角度、多层铺设的形式，导致其在各类载荷下的应力分布情况极其复杂，这给管道的设计带来了很大的阻碍。同时，海洋纤维增强柔性管中的复合材料铺层，在服役期间，常常发生渐进失效，导致管道失效破裂。为了保证结构的安全性，避免极限载荷造成管道破裂，必须发展新方法优化设计，对管道进行应力分析和失效分析，并对渐进失效过程进行评估。

由于复合材料铺层位于内外护套层之间，难以通过实验手段观测纤维增强层应力分布和各个铺层的渐进失效过程。而常用的无损检测技术，例如声发射，超声检测等，虽能检测到损伤和失效，但是对起始的微小损伤并不敏感，也无法给出失效诱因。因此，通过合理的技术手段对渐进失效过程进行分析，既可以节约成本，又可以提高效率。众所周知，通过建立海洋纤维增强柔性管解析模型进行应力分析和渐进失效分析，能清晰地得到应力场数据，并可以方便的完成失效程度评估。但是，目前这类方法在实际应用中还存在一定的局限性，主要表现在以下几个方面：

(1)现有方法进行应力分析时，需要求解纤维增强柔性管应力函数。而这类管道的各个铺层均具有正交各项异性，导致应力函数冗长复杂，进而使计算矩阵奇异，难以求得解析解。

(2)现有方法进行渐进失效分析时，虽然可以得到初次失效的铺层位置和失效模式，但是对后续渐进失效发展不能进行预测，同时也难以给出渐进失效过程的刚度退化情况。

如何克服上述困难，对海洋纤维增强柔性管进行应力分析和渐进失效分析，是目前研究的难点和热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，可以避免求解复杂应力函数带来的矩阵奇异问题，进而实现海洋纤维增强柔性管的应力分析和渐进失效分析。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，包括以下步骤，

S1，构建海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵；

S2，设置循环体的起始载荷、载荷增量和终止载荷；

S3，基于均质化的受力分析方法，根据所述材料柔度矩阵，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，其中所述当前载荷的初始值为所述起始载荷；

S4，基于失效准则，根据在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效位置及失效模式；

S5，基于主导失效模式的刚度退化模型对所述材料柔度矩阵进行刚度退化，得到刚度退化后的所述材料柔度矩阵；

S6，将刚度退化后的所述材料柔度矩阵反馈至所述S3，并在所述S3中根据所述载荷增量逐步增大所述当前载荷；基于刚度退化后的所述材料柔度矩阵和逐步增大的所述当前载荷循环执行所述S3至所述S5，直至逐步增大的所述当前载荷达到所述终止载荷为止，完成海洋纤维增强柔性管的渐进失效过程及极限承载能力分析。

本发明的有益效果是：本发明利用均质化处理方法对海洋纤维增强柔性管均质化处理，基于对均质管的受力分析，求解复合材料各铺层应力分布，极大地简化了纤维增强柔性管的应力分析过程，不需要求解应力函数，避开了应力函数矩阵奇异、应力公式复杂等缺点；同时，本发明运用失效准则预测失效位置及模式，运用基于主导失效模式的刚度退化模型退化刚度，通过循环运算，可以对第一失效铺层后的渐进失效过程进行连续预测，并且可以给出刚度退化情况，从而准确预测海洋纤维增强柔性管的渐进失效过程及极限承载能力；另外，通过应力分布分析、失效位置及模式预测和刚度退化情况可以为纤维增强柔性管整体分析提供必要参数，对纤维增强柔性管的应力分布、失效模式和失效位置的预测，可以指导工程应用，避免管道发生失效，有利于提高工程结构的安全性；因此本发明可以提升在纤维增强柔性管设计、分析及安全评估方面的技术水平，对海洋油气管线的安装、运营维护、寿命延长等具有巨大的潜在价值。

附图说明

图1为本发明一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法的原理图；

图2为本发明一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1和图2所示，一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，包括以下步骤，

S1，构建海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵。

所述S1具体为：

根据所述海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力和应变关系，构建海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵；

具体的，海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力和应变关系表示为，

其中，C为海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵，σ₁为纤维方向的主应力，σ₂为纤维面内切向的主应力，σ₃为纤维面外切向的主应力，τ₂₃为与纤维方向垂直平面的切应力，τ₁₃为与纤维方向平行的外平面的切应力，τ₁₂为与纤维方向平行的内平面的切应力，ε₁为纤维方向的主应变，ε₂为纤维面内切向的主应变，ε₃为纤维面外切向的主应变，γ₂₃为与纤维方向垂直平面的切应变，γ₁₃为与纤维方向平行的外平面的切应变，γ₁₂为与纤维方向平行的内平面的切应变；

则海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵表示为，

其中，海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵中各未知参数表示为，

其中，E₁、E₂和E₃分别为纤维方向、纤维面内切向和纤维面外切向的弹性模量，v₂₁为与纤维方向平行的内平面的泊松比，v₃₁为与纤维方向平行的外平面的泊松比，v₂₃为与纤维方向垂直平面的泊松比，G₂₃为与纤维方向垂直平面的剪切模量，G₁₃为与纤维方向平行的外平面的剪切模量，G₁₂为与纤维方向平行的内平面的剪切模量。

所述S1中构建的材料柔度矩阵为海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下初始的材料柔度矩阵(没有加载任何载荷)。

S2，设置循环体的起始载荷、载荷增量和终止载荷。

其中，循环体就是指由以下S3-S5构成的循环主体，在循环体的循环运算中，需要有循环起止条件和增量步来控制循环过程，其中，起始载荷决定循环运算什么时候开始，载荷增量决定每次循环的增加量，终止载荷决定循环运算什么时候结束。

S3，基于均质化的受力分析方法，根据所述材料柔度矩阵，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，其中所述当前载荷的初始值为所述起始载荷。

所述S3具体为：

S31，根据坐标转换矩阵，将海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵转换到圆柱坐标系下，得到海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵。

在所述S31中，所述坐标转换矩阵表示为，

其中，T⁽ⁱ⁾表示海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层的坐标转换矩阵，

为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层的纤维缠绕角度；

则通过公式C⁽ⁱ⁾＝(T⁽ⁱ⁾)^TCT⁽ⁱ⁾计算出海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵；

海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵表示为，

其中，C⁽ⁱ⁾为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵，

为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵中的参数，j＝1,2，...，6，k＝1,2，...，6。

S32，通过均质化计算方法对海洋纤维增强柔性管的截面几何参数和材料参数进行均质化计算，得到均质化工程常数，并根据所述均质化工程常数以及海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵，建立海洋纤维增强柔性管与均质管之间的应力联系矩阵。

在所述S32中，所述应力联系矩阵表示为，

其中，所述应力联系矩阵中各未知参数表示为，

其中，D⁽ⁱ⁾和

表示为，

其中，

为矩阵D⁽ⁱ⁾中的参数，g＝2，3，4，h＝2，3，4；E_z、E_θ、v_θr、v_zθ、v_zr和G_θz表示均质化工程常数，其由对海洋纤维增强柔性管的截面几何参数和材料参数进行均质化计算得到，海洋纤维增强柔性管的截面几何参数和材料参数包括内半径、外半径、铺层厚度、铺设角度和材料工程常数；均质化计算过程首先是通过海洋纤维增强柔性管的截面几何参数和材料参数构建截面厚度矩阵t、截面半径矩阵R、截面面积比矩阵A和铺设角度矩阵

等用于描述海洋纤维增强柔性管截面几何特征的矩阵，再对用于描述海洋纤维增强柔性管截面几何特征的矩阵进行均质化计算即可得到均质化工程常数；均质化计算方法参见：Sun XS,Chen Y,Tan VBC,Jaiman RK,Tay TE.Homogenization and stress analysis ofmultilayered composite offshore production risers.J Appl Mech 2014；vol.81,031003。

由于纤维增强柔性管的各项异性，铺设层数多，以及纤维缠绕角度多的特点，使得应力函数冗长复杂，未知数多，且往往因为矩阵奇异求不出解，所以求解应力函数费时费力。因此，本发明进行均质化处理，对均质管进行受力分析，可以避免求解复杂应力函数，极大地简化了分析计算流程。

S33，在当前载荷下对均质管进行受力分析，得到均质化应力分布。

在所述S33中，所述均质化应力分布具体为σ_θ、σ_r、τ_θz、τ_rz、τ_rθ和σ_z的分布；

其中，σ_θ为均质化环向应力，σ_r为均质化径向应力，τ_θz、τ_rz和τ_rθ均为均质化切应力，σ_z为均质化轴向应力。

在本发明中，载荷的种类有多种，包括轴向拉力、内外压力、弯曲、压缩等。

当施加的载荷为轴向拉力时，σ_θ、σ_r、τ_θz、τ_rz和τ_rθ均为零，所述均质化轴向应力表示为，

其中，F为所述当前载荷(即施加的轴向拉力)，b为海洋纤维增强柔性管的外半径，a为海洋纤维增强柔性管的内半径。

针对不同的载荷情况，均质化应力分析过程可以参见材料力学的书籍，比如：刘鸿文，材料力学，高等教育出版社，2011。

S34，根据所述应力联系矩阵与所述均质化应力分布，得到在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布。

在所述S34中，在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布表示为，

其中，

为当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的径向应力，

为当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的环向应力，

为当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的轴向应力，

和

均为当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的切应力；

具体的，将当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布矩阵展开后表达形式为，

其中，A_i为截面面积比矩阵A中的第i个元素，t_i为截面面积比矩阵t中的第i个元素，n为海洋纤维增强柔性管中复合材料铺层的总层数。将本步骤中计算得到的各铺层应力输出并显示。

S4，基于失效准则，根据在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效位置及失效模式。

所述S4具体为：

S41，将在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布转换到材料主坐标系下，得到在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力分布。

在所述S41中，将在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布转换到材料主坐标系下的转换关系表示为，

其中，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下纤维方向的主应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下纤维面内切向的主应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下纤维面外切向的主应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下与纤维方向垂直平面的切应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下与纤维方向平行的外平面的切应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下与纤维方向平行的内平面的切应力。

S42，将在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力分布代入失效准则中，得到在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效系数；

其中，所述失效准则包括纤维拉伸失效准则、纤维压缩失效准则、基体拉伸失效准则、基体压缩失效准则和脱层失效准则；对应的，所述失效系数包括纤维拉伸失效系数、纤维压缩失效系数、基体拉伸失效系数、基体压缩失效系数和脱层失效系数。

具体的，

所述纤维拉伸失效准则表示为，

所述纤维压缩失效准则表示为，

所述基体拉伸失效准则表示为，

所述基体压缩失效准则表示为，

所述脱层失效准则表示为，

其中，

为纤维拉伸失效系数，

为纤维压缩失效系数，

为基体拉伸失效系数，

为基体压缩失效系数，

为脱层失效系数，X_t和X_c分别表示单个铺层在纤维方向的拉伸强度和压缩强度,Y_t和Y_c分别表示单个铺层在纤维切向的拉伸强度和压缩强度,Z_t为单个铺层的面外拉伸强度,X₁₂为与纤维方向平行的内平面的剪切强度，X₁₃为与纤维方向平行的外平面的切应力的剪切强度，X₂₃为与纤维方向垂直平面的剪切强度。

S43，分别判断所述纤维拉伸失效系数、所述纤维压缩失效系数、所述基体拉伸失效系数、所述基体压缩失效系数和所述脱层失效系数是否大于或等于1；若是，则认定为发生对应的失效；若否，则认定为未发生失效；根据失效情况得出海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效位置及失效模式；

对应的，所述失效模式包括纤维拉伸失效模式、纤维压缩失效模式、基体拉伸失效模式、基体压缩失效模式和脱层失效模式；

失效发生后，首先和存储器中的失效信息进行检索对比，若为新的失效，则输出并显示，同时，该新的失效信息存储在存储器中。在未发生失效时，重置失效系数为0。

失效判断的标准是Hashin-Yeh失效标准，用来判断复合材料失效的常用经典公式，在复合材料领域类似于定理之类的，比较成熟。该公式中，认为大于或等于1的情况，即为材料失效管道出现损伤；小于1的情况，则材料未失效，仍处于弹性范围，因此，需将失效系数重置为0，以免影响材料退化过程。

S5，基于主导失效模式的刚度退化模型对所述材料柔度矩阵进行刚度退化，得到刚度退化后的所述材料柔度矩阵。

所述S5具体为，

S51，通过主导失效公式对大于或等于1的失效系数进行筛选，得出主导失效模式的刚度退化模型；

其中，主导失效模式的刚度退化模型表示为，

在计算及实际情况当中，不同的失效模式包括纤维拉伸失效模式、纤维压缩失效模式、基体拉伸失效模式、基体压缩失效模式和脱层失效模式，这些失效模式可能会同时存在，因此需要确定在不同的载荷下哪一种失效模式为控制材料退化的主导失效模式。主导失效模式选择出来之后，再用主导失效模式的刚度退化模型去退化材料的柔度。

通过这种筛选方法，可以给出在载荷逐渐增加的过程中，哪种失效模式为主导模式，同时也可以给出主导失效模式的变化过程。通过循环运算，将每次迭代的主导失效模式连接起来，便是纤维增强柔性管渐进失效过程中损伤传递路径，这对于分析纤维增强柔性管渐进失效过程具有重要意义；并且，通过与ABAQUS准静态数值模拟对比研究，发现这种筛选方法具有较高的准确度，与此同时，这种筛选方案易于理解，也和实际情况比较接近，即损伤失效状态最严重的模式为主导失效模式。

S52，根据主导失效模式的刚度退化模型对海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵进行刚度退化，得到退化后的材料柔度矩阵；

其中，退化后的材料柔度矩阵表示为，

其中，

为退化后的材料柔度矩阵(也称为出现失效后的材料柔度矩阵)。

S6，将刚度退化后的所述材料柔度矩阵反馈至所述S3，并在所述S3中根据所述载荷增量逐步增大所述当前载荷；基于刚度退化后的所述材料柔度矩阵和逐步增大的所述当前载荷循环执行所述S3至所述S5，直至逐步增大的所述当前载荷达到所述终止载荷为止，完成海洋纤维增强柔性管的渐进失效过程及极限承载能力分析。

本发明利用均质化处理方法对海洋纤维增强柔性管均质化处理，基于对均质管的受力分析，求解复合材料各铺层应力分布，极大地简化了纤维增强柔性管的应力分析过程，不需要求解应力函数，避开了应力函数矩阵奇异、应力公式复杂等缺点；同时，本发明运用失效准则预测失效位置及模式，运用基于主导失效模式的刚度退化模型退化刚度，通过循环运算，可以对第一失效铺层后的渐进失效过程进行连续预测，并且可以给出刚度退化情况，从而准确预测海洋纤维增强柔性管的渐进失效过程及极限承载能力；另外，通过应力分布分析、失效位置及模式预测和刚度退化情况可以为纤维增强柔性管整体分析提供必要参数，对纤维增强柔性管的应力分布、失效模式和失效位置的预测，可以指导工程应用，避免管道发生失效，有利于提高工程结构的安全性；因此本发明可以提升在纤维增强柔性管设计、分析及安全评估方面的技术水平，对海洋油气管线的安装、运营维护、寿命延长等具有巨大的潜在价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1，构建海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵；

S2，设置循环体的起始载荷、载荷增量和终止载荷；

S3，基于均质化的受力分析方法，根据所述材料柔度矩阵，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，其中所述当前载荷的初始值为所述起始载荷；

S4，基于失效准则，根据在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效位置及失效模式；

S5，基于主导失效模式的刚度退化模型对所述材料柔度矩阵进行刚度退化，得到刚度退化后的所述材料柔度矩阵；

S6，将刚度退化后的所述材料柔度矩阵反馈至所述S3，并在所述S3中根据所述载荷增量逐步增大所述当前载荷；基于刚度退化后的所述材料柔度矩阵和逐步增大的所述当前载荷循环执行所述S3至所述S5，直至逐步增大的所述当前载荷达到所述终止载荷为止，完成海洋纤维增强柔性管的渐进失效过程及极限承载能力分析。

2.根据权利要求1所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：所述S1具体为，根据所述海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力和应变关系，构建海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵；

具体的，海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力和应变关系表示为，

其中，C为海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵，σ₁为纤维方向的主应力，σ₂为纤维面内切向的主应力，σ₃为纤维面外切向的主应力，τ₂₃为与纤维方向垂直平面的切应力，τ₁₃为与纤维方向平行的外平面的切应力，τ₁₂为与纤维方向平行的内平面的切应力，ε₁为纤维方向的主应变，ε₂为纤维面内切向的主应变，ε₃为纤维面外切向的主应变，γ₂₃为与纤维方向垂直平面的切应变，γ₁₃为与纤维方向平行的外平面的切应变，γ₁₂为与纤维方向平行的内平面的切应变；

则海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵表示为，

其中，海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵中各未知参数表示为，

其中，E₁、E₂和E₃分别为纤维方向、纤维面内切向和纤维面外切向的弹性模量，v₂₁为与纤维方向平行的内平面的泊松比，v₃₁为与纤维方向平行的外平面的泊松比，v₂₃为与纤维方向垂直平面的泊松比，G₂₃为与纤维方向垂直平面的剪切模量，G₁₃为与纤维方向平行的外平面的剪切模量，G₁₂为与纤维方向平行的内平面的剪切模量。

3.根据权利要求2所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：所述S3具体为，

S31，根据坐标转换矩阵，将海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵转换到圆柱坐标系下，得到海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵；

S32，通过均质化计算方法对海洋纤维增强柔性管的截面几何参数和材料参数进行均质化计算，得到均质化工程常数，并根据所述均质化工程常数以及海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵，建立海洋纤维增强柔性管与均质管之间的应力联系矩阵；

S33，在当前载荷下对均质管进行受力分析，得到均质化应力分布；

S34，根据所述应力联系矩阵与所述均质化应力分布，得到在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布。

4.根据权利要求3所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：在所述S31中，所述坐标转换矩阵表示为，

其中，T⁽ⁱ⁾表示海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层的坐标转换矩阵，

为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层的纤维缠绕角度；

则通过公式C⁽ⁱ⁾＝(T⁽ⁱ⁾)^TCT⁽ⁱ⁾计算出海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵；

海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵表示为，

其中，C⁽ⁱ⁾为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵，

为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵中的参数，j＝1,2，...，6，k＝1,2，...，6。

5.根据权利要求4所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：在所述S32中，所述应力联系矩阵表示为，

其中，所述应力联系矩阵中各未知参数表示为，

其中，D⁽ⁱ⁾和

表示为，

其中，E_z、E_θ、v_θr、v_zθ、v_zr和G_θz表示均质化工程常数，

为矩阵D⁽ⁱ⁾中的参数，g＝2，3，4，h＝2，3，4。

6.根据权利要求5所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：在所述S33中，所述均质化应力分布具体为σ_θ、σ_r、τ_θz、τ_rz、τ_rθ和σ_z的分布；

其中，σ_θ为均质化环向应力，σ_r为均质化径向应力，τ_θz、τ_rz和τ_rθ均为均质化切应力，σ_z为均质化轴向应力。

7.根据权利要求6所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：在所述S34中，在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布表示为，

其中，

为当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的径向应力，

为当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的环向应力，

为当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的轴向应力，

和

均为当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的切应力。

8.根据权利要求3至7任一项所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：所述S4具体为，

S41，将在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布转换到材料主坐标系下，得到在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力分布；

S42，将在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力分布代入失效准则中，得到在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效系数；

其中，所述失效准则包括纤维拉伸失效准则、纤维压缩失效准则、基体拉伸失效准则、基体压缩失效准则和脱层失效准则；对应的，所述失效系数包括纤维拉伸失效系数、纤维压缩失效系数、基体拉伸失效系数、基体压缩失效系数和脱层失效系数；

S43，分别判断所述纤维拉伸失效系数、所述纤维压缩失效系数、所述基体拉伸失效系数、所述基体压缩失效系数和所述脱层失效系数是否大于或等于1；若是，则认定为发生对应的失效；若否，则认定为未发生失效；根据失效情况得出海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效位置及失效模式；

对应的，所述失效模式包括纤维拉伸失效模式、纤维压缩失效模式、基体拉伸失效模式、基体压缩失效模式和脱层失效模式。

9.根据权利要求8所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：在所述S41中，将在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布转换到材料主坐标系下的转换关系表示为，

其中，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下纤维方向的主应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下纤维面内切向的主应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下纤维面外切向的主应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下与纤维方向垂直平面的切应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下与纤维方向平行的外平面的切应力，

为在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在材料主坐标系下与纤维方向平行的内平面的切应力；

所述纤维拉伸失效准则表示为，

所述纤维压缩失效准则表示为，

所述基体拉伸失效准则表示为，

所述基体压缩失效准则表示为，

所述脱层失效准则表示为，

其中，

为纤维拉伸失效系数，

为纤维压缩失效系数，

为基体拉伸失效系数，

为基体压缩失效系数，

为脱层失效系数，X_t和X_c分别表示单个铺层在纤维方向的拉伸强度和压缩强度,Y_t和Y_c分别表示单个铺层在纤维切向的拉伸强度和压缩强度,Z_t为单个铺层的面外拉伸强度,X₁₂为与纤维方向平行的内平面的剪切强度，X₁₃为与纤维方向平行的外平面的切应力的剪切强度，X₂₃为与纤维方向垂直平面的剪切强度。

10.根据权利要求9所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：所述S5具体为，

S51，通过主导失效公式对大于或等于1的失效系数进行筛选，得出主导失效模式的刚度退化模型；

其中，主导失效模式的刚度退化模型表示为，

S52，根据主导失效模式的刚度退化模型对海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵进行刚度退化，得到退化后的材料柔度矩阵；

其中，退化后的材料柔度矩阵表示为，

其中，

为退化后的材料柔度矩阵。

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