CN115758770B - 一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法 - Google Patents
一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，涉及非粘接柔性管疲劳特性分析技术领域。该方法包括：获取环境载荷数据，形成初始载荷工况；根据耦合时域水动力分析模型开展柔性管整体静力分布计算，形成张力及曲率分布数据，并确定潜在疲劳失效点；对潜在疲劳点的张力时程和曲率时程数据进行统计分析，确定疲劳失效点；根据初始载荷工况，利用刚度等效原则进行简化分析，形成柔性管内结构层简化数值计算模型；根据柔性管内结构层简化数值计算模型结合外结构层建立非粘接柔性管截面分析模型，形成抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据；对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行分析，获取疲劳寿命。其能够有效降低疲劳寿命分析中的分析数据量以及改善非线性接触导致的收敛性问题。
Description
技术领域
本申请涉及非粘接柔性管疲劳特性分析技术领域，具体而言，涉及一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法。
背景技术
海洋管道作为海洋资源开采的输运工具，是海洋工程装备中不可或缺的一部分。目前对于海洋管道的选用，主要分为钢管和复合式柔性管，其中复合式柔性管属非粘接柔性管凭借其可承受一定程度弯曲以及稳定性高的特点，使用前景十分广阔。
海洋非粘接柔性管是一种应用海工领域的高技术多层复合管，根据作业海域及输运介质要求进行定制化设计生产，管层一般有几层到十几层不等，其中抗拉铠装层是柔性管承担外部拉伸、弯曲载荷的主承力构件，也是在循环载荷下最易发生疲劳失效的构件，一般地，抗拉铠装层的疲劳寿命就可以代表此根柔性管的疲劳寿命。
在对非粘接柔性管进行设计时，由于考虑海洋环境情况的复杂，需要进行疲劳特性的分析。在进行疲劳特性分析时，通常会在获取载荷工况后，直接对含各层结构的非粘接柔性管进行计算分析，这样一方面由于原始的保留了各层的数据，计算中需要处理的数据量巨大，影响分析的效率，另外，由于层结构较多且部分结构层十分复杂，计算时很容易发生非线性接触导致的收敛性问题，这需要耗费大量的时间来进行调整和计算，浪费时间和资源。
因此，设计一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，能够有效降低疲劳寿命分析中的分析数据量以及改善非线性接触导致的收敛性问题，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，在进行疲劳失效点的获取时，为了降低过多的潜在疲劳失效点导致的较大分析数据量，通过对潜在疲劳失效点的张力和曲率时程曲线数据进行进一步的统计分析，从潜在疲劳失效点中确定疲劳失效点，大大缩减了数据分析的工作量，提高了分析的效率，同时经过进一步的疲劳失效点筛选，分析的准确度进一步得到提高。另外，在进行简化数值计算模型的建立时，有需要的对非粘接柔性管的内层结构层进行刚度等效简化，一方面简化了分析的数据量，另一方面也避免了由于非粘接柔性管的层结构较多直接进行数值简化引起接触非线性导致的收敛性问题，能够更高效的获取到最终的分析结果，大大提高了分析的有效性。
第一方面，本申请实施例提供一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，包括：获取环境载荷数据，形成疲劳特性分析的初始载荷工况；确定柔性管线型，建立耦合时域水动力分析模型，并根据耦合时域水动力分析模型开展柔性管整体静力分布计算，形成张力及曲率分布数据，并确定潜在疲劳失效点；利用初始载荷工况对柔性管进行整体动力特性分析，获取柔性管上确定的潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据，并对潜在疲劳点的张力时程和曲率时程数据进行统计分析，确定疲劳失效点；根据初始载荷工况，利用刚度等效原则对非粘接柔性管的内结构层按需进行简化分析，形成柔性管内结构层简化数值计算模型；根据柔性管内结构层简化数值计算模型结合外结构层建立非粘接柔性管截面分析模型，结合疲劳失效点处张力和曲率时程曲线数据，形成抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据；对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行分析，获取非粘接柔性管的疲劳寿命。
在本申请实施例中，该方法在进行疲劳失效点的获取时，为了降低过多的潜在疲劳失效点导致的较大分析数据量，通过对潜在疲劳失效点的张力和曲率时程曲线数据进行进一步的统计分析，从潜在疲劳失效点中确定疲劳失效点，大大缩减了数据分析的工作量，提高了分析的效率，同时经过进一步的疲劳失效点筛选，分析的准确度进一步得到提高。另外，在进行简化数值计算模型的建立时，有需要的对非粘接柔性管的内结构层进行刚度等效简化，一方面简化了分析的数据量，另一方面也避免了由于非粘接柔性管的层结构较多直接进行数值简化引起接触非线性导致的收敛性问题，能够更高效的获取到最终的分析结果，大大提高了分析的有效性。
作为一种可能的实现方式，对潜在疲劳点的张力时程和曲率时程数据进行统计分析，确定疲劳失效点，包括：根据潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据，获取张力均值数据及曲率均值数据和张力幅值数据及曲率幅值数据；根据张力均值数据及曲率均值数据和张力幅值数据及曲率幅值数据，确定疲劳失效点。
在本申请实施例中，疲劳特性取决于交变应力，交变应力来源于交变载荷，因此交变载荷的幅值与均值，决定着交变应力的幅值与均值，而疲劳寿命主要跟应力幅值、应力均值相关，所以通过统计潜在失效点所受到载荷的均值与幅值，就可以很容易确定疲劳失效点，进而开展疲劳特性计算。
作为一种可能的实现方式，获取所有载荷工况下计算所得的潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据，并计算每个载荷工况下潜在疲劳失效点张力时程和曲率时程的平均值以及标准差；对比所有张力时程和曲率时程的平均值以及所有张力时程和曲率时程标准差，将张力时程和曲率时程的平均值最大值所对应的潜在疲劳失效点和张力时程和曲率时程的标准差最大值所对应的潜在疲劳失效点确定为疲劳失效点。
在本申请实施例中，在获取到张力均值数据及曲率均值数据和张力幅值数据及曲率幅值数据后，需要根据这两类数据进行疲劳失效点的判断。可以理解的是，非粘接柔性管所能承受的载荷同自身的材料性能有关，张力或曲率均值越高，整体应力水平也相应较高，其导致疲劳发生的概率也越大。同样地，张力或曲率幅值的大小体现交变载荷的极限载荷情况，张力或曲率幅值越大，交变载荷的极限值也越大，材料受到的最大应力也越大，同样其导致疲劳发生的概率也越大。因此，对于疲劳失效点的确定可以通过对张力和曲率均值以及张力和曲率幅值的对比来确定。
作为一种可能的实现方式，根据初始载荷工况，利用刚度等效原则对非粘接柔性管的内结构层按需进行简化分析，形成简化数值计算模型，包括：根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据；结合骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，利用刚度等效原则，合并为一层正交各向异性结构层。
在本申请实施例中，在进行简化数值计算模型的建立过程中，根据分析需要地进行简化，本实施例提供一种简化方式，将非粘接柔性管的内三层，即将骨架层、聚合物层以及抗压铠装层利用刚度等效原则合并为一层正交各向异性的结构层。一方面，由于疲劳特性分析主要关注的是柔性管抗拉铠装层应力情况，而采用刚度等效可以确保应力特性能够正确的传递下来，不影响疲劳特性分析结果的准确性，另一方面，由于将三层进行了合理的简化，有效避免了直接对各层进行数值分析可能引起的层与层之间接触的非线性导致的计算收敛性问题，能够更加有效的计算出疲劳寿命，避免过多遇到非线性接触耗费大量时间进行计算收敛的调试，同时也缩减了计算的工作量，节约了分析的时间和资源，提高了分析的效率和分析的准确性，可方便用于海洋柔性管截面力学性能分析和疲劳寿命评估,具有很好的工程应用价值。当然，可以理解，对于不同的分析目的和分析情况，在进行刚度等效的时候可以按需进行多层结构的刚度等效。
作为一种可能的实现方式，根据简化数值计算模型建立非粘接柔性管截面分析模型，包括：根据正交各向异性结构层，并结合外结构层几何及材料参数数据，建立非粘接柔性管截面分析模型。
在本申请实施例中，建立柔性管内结构层简化数值计算模型后，将刚度等效后的结构层和非粘接柔性管的外层结构结合建立起截面分析模型，能够有效提高分析的效率和准确性，可方便用于海洋柔性管截面力学性能分析和疲劳寿命评估,具有很好的工程应用价值。
作为一种可能的实现方式，根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：获取骨架层的载荷工况数据，计算骨架层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；根据骨架层的载荷-位移响应数据，得到骨架层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。
在本申请实施例中，提供骨架层刚度计算的方式，考虑骨架层在各种载荷下的刚度情况，使等效后的结构层刚度数据更加据实有效，提高疲劳特性分析的准确性。
作为一种可能的实现方式，根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：获取聚合物层的载荷工况数据，计算聚合物层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；根据聚合物层的载荷-位移响应数据，得到聚合物层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。
在本申请实施例中，提供聚合物层刚度计算的方式，考虑聚合物层在各种载荷下的刚度情况，使等效后的结构层刚度数据更加据实有效，提高疲劳特性分析的准确性。
作为一种可能的实现方式，根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：获取抗压铠装层的载荷工况数据，计算抗压铠装层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；根据抗压铠装层的载荷-位移响应数据，得到抗压铠装层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。
在本申请实施例中，提供抗压铠装层刚度计算的方式，考虑抗压铠装层在各种载荷下的刚度情况，使等效后的结构层刚度数据更加据实有效，提高疲劳特性分析的准确性。
作为一种可能的实现方式，对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行分析，获取非粘接柔性管的疲劳寿命，包括：根据抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据，获取非粘接柔性管的应力幅值和循环次数，结合Miner线性累积损伤理论，获取非粘接柔性管的疲劳寿命。
在本申请实施例中，将抗拉铠装层的应力时程数据作为最终评判非粘接柔性管疲劳寿命的数据依据，进行疲劳寿命的分析，最终获取非粘接柔性管的疲劳寿命。
作为一种可能的实现方式，采用雨流计数法对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行统计计算，获得非粘接柔性管的应力幅值和循环次数。
在本申请实施例中，雨流计数法能够有效的获取到应力幅值和循环次数数据，为疲劳寿命的计算提供数据基础。
本实施例提供的一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法的有益效果有：
在进行疲劳失效点的获取时，为了降低过多的潜在疲劳失效点导致的较大分析数据量，通过对潜在疲劳失效点的张力和曲率时程曲线数据进行进一步的统计分析，从潜在疲劳失效点中确定疲劳失效点，大大缩减了数据分析的工作量，提高了分析的效率，同时经过进一步的疲劳失效点筛选，分析的准确度进一步得到提高。另外，在进行简化数值计算模型的建立时，有需要的对非粘接柔性管的内结构层进行刚度等效简化，一方面简化了分析的数据量，另一方面也避免了由于非粘接柔性管的层结构较多直接进行数值计算引起接触非线性导致的收敛性问题，能够更高效的获取到最终的分析结果，大大提高了分析的有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法的步骤图；
图2为本申请实施例提供的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法的疲劳失效点确认流程图；
图3为本申请实施例提供的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法的柔性管截面简化分析模型构建流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
海洋管道作为海洋资源开采的输运工具，是海洋工程装备中不可或缺的一部分。目前对于海洋管道的选用，主要分为钢管和复合式柔性管，其中复合式柔性管属非粘接柔性管凭借其可承受一定程度弯曲以及稳定性高的特点，使用前景十分广阔。
海洋非粘接柔性管是一种应用海工领域的高技术多层复合管，根据作业海域及输运介质要求进行定制化设计生产，管层一般有几层到十几层不等，其中抗拉铠装层是柔性管承担外部拉伸、弯曲载荷的主承力构件，也是在循环载荷下最易发生疲劳失效的构件，一般地，抗拉铠装层的疲劳寿命就可以代表此根柔性管的疲劳寿命。
在对非粘接柔性管进行设计时，由于考虑海洋环境情况的复杂，需要进行疲劳特性的分析。在进行疲劳特性分析时，通常会在获取载荷工况后，直接对含各层结构的非粘接柔性管进行计算分析，这样一方面由于原始的保留了各层的数据，计算中需要处理的数据量巨大，影响分析的效率，另外，由于层结构较多且部分结构层十分复杂，数值计算时很容易发生非线性接触导致的收敛性问题，这需要耗费大量的时间来进行调整和计算，浪费时间和资源。
参考图1，本申请实施例提供一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法。该方法在进行疲劳失效点的获取时，为了降低过多的潜在疲劳失效点导致的较大分析数据量，通过对潜在疲劳失效点的张力和曲率时程曲线数据进行进一步的统计分析，从潜在疲劳失效点中确定疲劳失效点，大大缩减了数据分析的工作量，提高了分析的效率，同时经过进一步的疲劳失效点筛选，分析的准确度进一步得到提高。另外，在进行简化数值计算模型的建立时，有需要的对非粘接柔性管的部分结构层进行刚度等效简化，一方面简化了分析的数据量，另一方面也避免了由于非粘接柔性管的层结构较多直接进行数值简化引起接触非线性导致的收敛性问题，能够更高效的获取到最终的分析结果，大大提高了分析的有效性。
本申请提供的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法包括以下步骤：
S1：获取环境载荷数据，形成疲劳特性分析的初始载荷工况。
非粘接柔性管在海洋环境中的受载情况多样且复杂，进行疲劳特性分析前需要对其受载类型、受载大小等情况进行清楚的获取和划分，避免初始数据获取的不准确导致计算结果的失真。当然，针对不同的载荷建立不同的工况形式，所考虑的载荷工况越多分析结果越准确，同时相应的计算量也会越大，因此在分析计算中需要对载荷工况进行有根据的合理取舍。
S2：确定柔性管线型，建立耦合时域水动力分析模型，并根据耦合时域水动力分析模型开展柔性管整体静力分布计算，形成张力及曲率分布数据，并确定潜在疲劳失效点。
静水条件下柔性管沿管长的张力及曲率的分布结果，并形成柔性管沿管长的张力及曲率分布图。结合柔性管沿管长的张力及曲率分布图，确定曲线驻点与不可导点即为潜在的疲劳失效点
S3：根据潜在疲劳失效点的张力和曲率时程曲线数据，进行统计分析，确定疲劳失效点，并获取疲劳失效点处张力和曲率时程曲线数据。
该步骤中，根据潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据进行统计分析，确定疲劳失效点，包括：根据潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据，获取张力均值数据及曲率均值数据和张力幅值数据及曲率幅值数据；根据张力及曲率均值数据和张力及曲率幅值数据，确定疲劳失效点。疲劳特性取决于交变应力，交变应力来源于交变载荷，因此交变载荷的幅值与均值，决定着交变应力的幅值与均值，而疲劳寿命主要跟应力幅值、应力均值相关，所以通过统计潜在失效点所受到载荷的均值与幅值，就可以很容易确定疲劳失效点，进而开展疲劳特性计算。
具体的，参考图2所示，获取所有载荷工况下计算所得的潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据，并计算每个载荷工况下潜在疲劳失效点张力时程和曲率时程的平均值以及标准差；对比所有张力时程和曲率时程的平均值以及所有张力时程和曲率时程标准差，将张力时程和曲率时程的平均值最大值所对应的潜在疲劳失效点和张力时程和曲率时程的标准差最大值所对应的潜在疲劳失效点确定为疲劳失效点。
在获取到张力及曲率均值数据和张力及曲率幅值数据后，需要根据这两种数据进行疲劳失效点的判断。可以理解的是，非粘接柔性管所能承受的极限载荷同自身的材料性能有关，张力及曲率均值越高，整体应力水平也相应较高，其导致疲劳发生的概率也越大。同样地，张力及曲率幅值的大小体现交变载荷的极限载荷情况，张力及曲率幅值越大，交变载荷的极限值也越大，材料受到的最大应力也越大，同样其导致疲劳发生的概率也越大。因此，对于疲劳失效点的确定可以通过对张力及曲率均值以及张力及曲率幅值的对比来确定。
S4：根据初始载荷工况，利用刚度等效原则对非粘接柔性管的内结构层按需进行简化分析，形成柔性管内结构层简化数值计算模型。
该步骤中，根据初始载荷工况，利用刚度等效原则对非粘接柔性管的内结构层按需进行简化分析，形成简化数值计算模型，包括：根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据；结合骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，利用刚度等效原则，合并为一层正交各向异性结构层。
在进行简化数值计算模型的建立过程中，根据分析需要地进行简化，本实施例提供一种简化方式，将非粘接柔性管的内三层，即将骨架层、聚合物层以及抗压铠装层利用刚度等效原则合并为一层正交各向异性结构层。一方面，由于疲劳特性分析主要关注的是抗拉铠装层应力情况，而采用刚度等效可以确保应力特性能够正确的传递下来，不影响疲劳特性分析结果的准确性，另一方面，由于将三层进行了合理的简化，有效避免了直接对各层进行数值分析可能引起的层与层之间接触的非线性导致的计算收敛性问题，能够更加有效的计算出疲劳寿命，避免过多遇到非线性接触耗费大量时间进行计算收敛的调试，同时也缩减了计算的工作量，节约了分析的时间和资源，提高了分析的效率和分析的准确性，可方便用于海洋柔性管截面力学性能分析和疲劳寿命评估,具有很好的工程应用价值。当然，可以理解，对于不同的分析目的和分析情况，在进行刚度等效的时候可以按需进行多层结构的刚度等效。
进一步地，本实施例提供骨架层、聚合物层以及抗压铠装层刚度计算的方式，考虑骨架层、聚合物层以及抗压铠装层在各种载荷下的刚度情况，使等效后的结构层刚度数据更加据实有效，提高疲劳特性分析的准确性。
其中：
根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：获取骨架层的载荷工况数据，计算骨架层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；根据骨架层的载荷-位移响应数据，得到骨架层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。提供骨架层刚度计算的方式，考虑骨架层在各种载荷下的刚度情况，使等效后的结构层刚度数据更加据实有效，提高疲劳特性分析的准确性。
这里，骨架层简化等效参数求解。具体包括骨架层三维实体精细有限元模型建立和开展骨架层在拉力、扭矩、弯矩和外部压力载荷作用下的仿真计算，求得骨架层不同方向的等效刚度，其中骨架层模型管长方向长度≥10倍S型骨架缠绕螺距；等效刚度的计算公式如下：
等效拉伸刚度：
等效扭转刚度：
等效弯曲刚度：
等效径向刚度：
其中，F、Mtor、Mbend、P分别为施加在管道的轴向拉力，扭矩、弯矩和外部压力；ε为轴向拉力条件下的轴向应变；φ为扭转条件下的单位管层长度扭转角；C为弯曲载荷下的管层曲率；u是骨架层受外压下的径向位移。
基于刚度等效原则，进行骨架层等效正交各向异性圆筒参数计算，待求参数主要有：周向弹性模量E1、轴向弹性模量E2，其中轴向弹性模量包括了基于抗拉刚度等效的轴向弹性模量E2-t和基于抗弯刚度等效的轴向弹性模量E2-b、剪切模量G12和厚度t；步骤及公式如下：首先假定等效后骨架层厚度t保持不变，等效后的圆筒结构在轴向拉力、扭转、弯曲及外压载荷下的等效刚度可以表示为：
抗拉刚度：Kten＝E2-t A(式5)；
抗扭刚度：Ktor＝G12J(式6)；
抗弯刚度：Kbend＝E2-b I(式7)；
等效径向刚度：
联合式1～式8，可以得到骨架层简化后等效参数。
根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：获取聚合物层的载荷工况数据，计算聚合物层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；根据聚合物层的载荷-位移响应数据，得到聚合物层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。
聚合物层相关参数求解时，柔性管中的聚合物层(内护套层和防摩擦层)本身为均质材料圆筒层，关于其抗拉、抗扭、抗弯及径向刚度可以直接使用公式5～式8进行计算。
根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：获取抗压铠装层的载荷工况数据，计算抗压铠装层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；根据抗压铠装层的载荷-位移响应数据，得到抗压铠装层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。
抗压铠装层简化等效参数求解步骤与骨架层相同，额外考虑模型尺寸上抗压铠装层模型管长方向长度≥10倍铠装钢带缠绕螺距。
S5：根据简化数值计算模型建立非粘接柔性管截面分析模型，结合疲劳失效点处张力和曲率时程曲线数据，形成抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据。
该步骤中，根据简化数值计算模型建立非粘接柔性管截面分析模型，包括：根据正交各向异性结构层，并结合材料参数数据，建立非粘接柔性管截面分析模型。
建立简化数值计算模型后，将刚度等效后的结构层和非粘接柔性管的外层结构结合建立起截面分析模型，能够有效提高分析的效率和准确性，可方便用于海洋柔性管截面力学性能分析和疲劳寿命评估,具有很好的工程应用价值。
另外，需要说明的是，对于合并为一层正交各向异性结构层，各向异性圆筒结构几何及材料参数计算如下：
等效各向异性圆筒层外半径Ro、内半径Ri以及等效厚度t存在如下关系：
Ri＝Ro-t(式9)，
其中，Ro为柔性管最内侧抗拉铠装层内半径，为已知项；
周向弹性模量E1：
其中，Rm为管层中面半径，根据式10、式11可得如果得到等效厚度t，可以直接求得相应的等效周向弹性模量E1；
剪切模量G12：
其中，J为等效圆筒截面极惯性矩，由于Ro已知，所以同样如果得到等效厚度t，可以直接求得相应的等效剪切模量G12；
轴向弹性模量E2，其中，基于抗拉刚度等效的轴向弹性模量E2-t和基于抗弯刚度等效的轴向弹性模量E2-b，表达式如下：
其中，A和I分别为等效圆筒截面面积和惯性矩，可以看出E2-t和E2-b同样也与等效厚度t有关，为确定一个相同的轴向弹性模量E2-t和E2-b，联合式14、式15可以求得最终的E2和t；相应的，根据式10、式12周向弹性模量E1及剪切模量G12也可以确定。
参考图3，柔性管各向异性简化圆筒结构的几何及材料参数均已决定，结合外部各层的相关参数，可以建立柔性管截面特性简化数值计算模型。
S6：对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行分析，获取非粘接柔性管的疲劳寿命。
该步骤中，对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行分析，获取非粘接柔性管的疲劳寿命，包括：根据抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据，获取非粘接柔性管的应力幅值和循环次数，结合Miner线性累积损伤理论，获取非粘接柔性管的疲劳寿命。
将抗拉铠装层的应力时程数据作为最终评判非粘接柔性管疲劳寿命的数据依据，进行疲劳寿命的分析，最终获取非粘接柔性管的疲劳寿命。
具体地，采用雨流计数法对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行统计计算，获得非粘接柔性管的应力幅值和循环次数。雨流计数法能够有效的获取到应力幅值和循环次数数据，为疲劳寿命的计算提供数据基础。
综上所述，本申请实施例提供的一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法的有益效果有：
在进行疲劳失效点的获取时，为了降低过多的潜在疲劳失效点导致的较大分析数据量，通过对潜在疲劳失效点的张力和曲率时程曲线数据进行进一步的统计分析，从潜在疲劳失效点中确定疲劳失效点，大大缩减了数据分析的工作量，提高了分析的效率，同时经过进一步的疲劳失效点筛选，分析的准确度进一步得到提高。另外，在进行简化数值计算模型的建立时，有需要的对非粘接柔性管的内结构层进行刚度等效简化，一方面简化了分析的数据量，另一方面也避免了由于非粘接柔性管的层结构较多直接进行数值简化引起接触非线性导致的收敛性问题，能够更高效的获取到最终的分析结果，大大提高了分析的有效性。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a,b,或c中的至少一项(个)，可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，其特征在于，包括：
获取环境载荷数据，形成疲劳特性分析的初始载荷工况；
确定柔性管线型，建立耦合时域水动力分析模型，并根据所述耦合时域水动力分析模型开展柔性管整体静力分布计算，形成张力及曲率分布数据，并确定潜在疲劳失效点；
利用所述初始载荷工况对柔性管进行整体动力特性分析，获取柔性管上确定的潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据，并对潜在疲劳点的张力时程和曲率时程数据进行统计分析，确定疲劳失效点；
根据所述初始载荷工况，利用刚度等效原则对所述非粘接柔性管的内结构层按需进行简化分析，形成柔性管内结构层简化数值计算模型；
根据所述柔性管内结构层简化数值计算模型结合外结构层建立非粘接柔性管截面分析模型，结合疲劳失效点处张力和曲率时程曲线数据，形成抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据；
对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行分析，获取非粘接柔性管的疲劳寿命；
其中，对潜在疲劳点的张力时程和曲率时程数据进行统计分析，确定疲劳失效点，包括：根据潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据，获取张力均值数据和张力幅值数据以及曲率均值数据和曲率幅值数据；
根据所述张力均值数据及曲率均值数据和所述张力幅值数据及曲率幅值数据，确定疲劳失效点：
获取所有载荷工况下计算所得的潜在疲劳失效点的张力时程和曲率时程数据，并计算每个载荷工况下潜在疲劳失效点张力时程和曲率时程的平均值以及标准差；对比所有张力时程和曲率时程的平均值以及所有张力时程和曲率时程标准差，将张力时程和曲率时程的平均值最大值所对应的潜在疲劳失效点和张力时程和曲率时程的标准差最大值所对应的潜在疲劳失效点确定为疲劳失效点。
2.根据权利要求1所述的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，其特征在于，所述根据所述初始载荷工况，利用刚度等效原则对所述非粘接柔性管内结构层按需进行简化分析，形成简化数值计算模型，包括：
根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据；
结合所述骨架层、所述聚合物层以及所述抗压铠装层的刚度数据，利用刚度等效原则，合并为一层正交各向异性结构层。
3.根据权利要求2所述的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，其特征在于，所述根据所述柔性管内结构层简化数值计算模型建立非粘接柔性管截面分析模型，包括：
根据所述正交各向异性结构层，并结合外结构层几何及材料参数数据，建立非粘接柔性管截面分析模型。
4.根据权利要求2所述的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，其特征在于，所述根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：
获取骨架层的载荷工况数据，计算所述骨架层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；
根据所述骨架层的载荷-位移响应数据，得到所述骨架层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。
5.根据权利要求2所述的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，其特征在于，所述根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：
获取聚合物层的载荷工况数据，计算所述聚合物层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；
根据所述聚合物层的载荷-位移响应数据，得到所述聚合物层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。
6.根据权利要求2所述的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，其特征在于，所述根据初始载荷工况，计算骨架层、聚合物层以及抗压铠装层的刚度数据，包括：
获取抗压铠装层的载荷工况数据，计算所述抗压铠装层在拉伸、扭转、弯曲以及外压载荷作用下的载荷-位移响应数据；
根据所述抗压铠装层的载荷-位移响应数据，得到所述抗压铠装层的等效拉伸、扭转、弯曲和抗压刚度。
7.根据权利要求1所述的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，其特征在于，所述对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行分析，获取非粘接柔性管的疲劳寿命，包括：
根据抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据，获取非粘接柔性管的应力幅值和循环次数，结合Miner线性累积损伤理论，获取非粘接柔性管的疲劳寿命。
8.根据权利要求7所述的海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法，其特征在于，采用雨流计数法对抗拉铠装层螺旋钢带应力时程曲线数据进行统计计算，获得非粘接柔性管的应力幅值和循环次数。
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