CN115964831A - 一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋工程数据处理技术领域，公开了一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用。基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，并根据柔性微段转角特点建立节点弯矩、角度和长度的关系模型；结合建立的节点弯矩、角度和长度的关系模型受力及顶部边界条件，通过各节点处力和弯矩的平衡关系建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；在此基础上结合海流流速、底部防喷器重量以及顺应式垂直通路立管浮力块和重力块，得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程数据处理技术领域，尤其涉及一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用。
背景技术
顺应式垂直通路立管（Compliant Vertical Access Riser，CVAR）是一种特殊构型的新型顺应式刚性立管，在深水及超深水海洋油气开发中具有广阔的应用前景，对其安装下放过程中的动力响应分析对保障作业安全具有重要工程意义。
目前对于海洋立管安装下放过程的动力分析将立管下放作业视为静态过程，只选取立管不同下放长度进行分析，而忽略了下放作业的连续性。而顺应式垂直通路立管安装下放过程涉及复杂的变长度动力响应，另外其独特的浮力块和重力块配置以及环境荷载都会使其动力响应更加复杂。但目前关于顺应式垂直通路立管研究仍处于起步阶段，关于其安装下放过程中的变长度动力响应分析方法仍未建立，无法准确了解顺应式垂直通路立管在安装下放过程中的动力学特性。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
（1）现有方法并不能实现顺应式垂直通路立管安装下放过程中的变长度动力响应计算，使得得到的顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律数据准确度低。
（2）现有技术在顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应预测中，由于预测精度差，不能为深水顺应式垂直通路立管安装作业安全提供技术保障。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用，具体涉及一种深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法。
所述技术方案如下：深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法包括：
S1，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，根据柔性微段转角特点求解微段转角，进而通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型；
S2，基于建立节点位移和速度求解模型，并结合模型受力和两端边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；
S3，结合海流流速、底部防喷器重量以及浮力块和重力块对顺应式垂直通路立管的作用力，并通过建立的变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。
在步骤S1中，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段具体包括：
以顶部浮体上立管安装下放设备作为原点O，沿着海流运动方向和垂直向下分别作为X轴和Y轴的正向，建立OXY全局坐标系，将顺应式垂直通路立管作为二维的Euler-Bernoulli梁，并离散成N段等长度的柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型。
在步骤S1中，根据柔性微段转角特点求解微段转角包括：
柔性微段在外力作用下发生弯曲，根据节点角度和微段角度，将立管微段的转角与立管微段的长度结合，建立柔性微段角度关系模型式（10）；柔性微段角度关系模型式（10）中，
θ i 是
N i -
N i+1 微段的角度，代表X轴到线段Ni-Ni+1的转角；Δθi是微段角度的变化，代表Nj节点切线到直线Ni-Ni+1的转角；φi和φi+1均为节点角度，分别代表X轴到节点Ni切线和节点Ni+1切线的转角；Δφi表示为节点Ni切线和节点Ni+1切线之间的转角，为节点角度的变化；
微段中的弯矩呈线性变化，分别设节点Ni切线和节点Ni+1的弯矩为Mi和Mi+1，柔性微段弯矩关系模型中微段上距离节点Ni任意长度l处的弯矩表示为：
（1）
其中为某一时刻微段的长度
根据弹性力学理论，曲率和弯矩的关系为：
（2）
其中，ρ为曲率，M为弯矩，E为弹性模量，I为截面惯性矩；
根据节点弯矩、角度和长度的关系模型建立柔性微段模型弯曲模型，其中，ds两端法线的交点为曲率中心，则曲率半径ρ由下式（3）求得：
（3）
式中为微分弧段，为微分弧段转角；
将方程（3）代入方程（2），得到：
（4）
将方程（1）代入方程（4），并在微段长度上进行积分，得到柔性微段节点转角变化Δφi的表达式如式（5）：
（5）
根据几何关系Δθi表示为：
（6）
微段节点角度
φ i 表示为：
（7）
将方程（4）代入方程（7），微段节点角度
φ i 为：
（8）
微段角度
θ i 为：
（9）
将方程（6）、方程（8）代入方程（9），微段角度
θ i 进一步表示为：
（10）
将上述微段角度和微段节点角度的关系式写成矩阵的形式如下：
（11）
（12）
其中，φ=[φ2，φ3，φ4，…，φn+1]T，φ1=[φ1，φ1，φ1，…，φ1]T，θ=[θ1，θ2，θ3，…，θn]T，P1和P2分别是由方程（8）和方程（10）得到的n×n矩阵。
在步骤S1中，通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型中，节点位移求解模型求解包括：
节点Ni+1在X方向上的坐标为：
（13）
同理节点Ni+1在Y方向上的坐标为：
（14）
节点速度求解模型求解包括：
在获得节点Ni+1的位移后，节点Ni+1的在X方向和Y方向上的速度和，加速度和进一步通过下式（15）、式（16）分别求得；
（15）
（16）
在步骤S2中，结合节点弯矩、角度和长度的关系模型受力和顶部边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型包括：
顺应式垂直通路立管安装下放过程中所受到的外力包括：水动力、净重力以及惯性力；
质量和外力作用在节点上，作用在每个节点上的外力满足弯矩平衡方程：
（17）
式中，，分别为作用在节点Ni处合外力在X方向和Y方向的分量；
根据节点N1，N2，N3，…，Nn的弯矩平衡关系，建立n个方程组，获得变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；其中，每个节点上的弯矩值均未知，拥有n个未知量，对于最后一个节点Nn+1，由于立管安装状态下立管底端自由，通过边界条件定义节点Nn+1处的弯矩；
在安装下放阶段，立管底部边界处于自由、无约束状态，立管顶部边界运动状态与浮式平台相同，边界条件表示为：
（18）
其中，和分别为安装设备下放速度及加速度；
变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型中存在N个未知量ξ，变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型通过向量Ω表示为：
（19）
在一个实施例中，变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型的求解包括：
（1）由第
i时刻已知的和，通过弯矩平衡方程去求解；
（2）通过公式（20）和公式（21）获得第
i+1时刻的和；
（20）
（21）
（3）再由第
i+1时刻的和通过弯矩平衡方程去得第
i+1时刻的；
（4）通过公式（22）对第i+1时刻的和进行修正；
（22）
（5）重复步骤（3）和步骤（4）直到和的变化满足下式为止：
（23）
（6）在得到第i+1时刻的解之后，再作为已知条件去求解下一时刻的解，直至得到立管在全部计算时间里的解。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析系统，所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析系统包括：
节点位移求解模型和节点速度求解模型建立模块，用于基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，根据柔性微段转角特点求解微段转角，进而通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型；
变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型，用于基于建立节点位移和速度求解模型，并结合模型受力和两端边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；
变长度动态响应规律获取模块，用于结合海流流速、底部防喷器重量以及浮力块和重力块对顺应式垂直通路立管的作用力，并通过建立的变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。
本发明的另一目的在于提供一种用于在深水及超深水海洋油气开发中顺应式垂直通路立管动力学检测装置，实施权所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：本发明公开的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，通过采用柔性微段方法变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型，进而通过有限元方法求解得到顺应式垂直通路立管安装下放过程中的动力响应规律。首次在顺应式垂直通路立管动力分析中考虑变长度以及底部防喷器重量的影响，建立了顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应预测方法，可为深水顺应式垂直通路立管安装作业安全提供技术保障。
第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本发明公开的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，通过建立柔性微段方法变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型，可在考虑下放作业的连续性基础上实现顺应式垂直通路立管安装下放过程中变长度动力响应准确预测。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；
图1是本发明实施例提供的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法流程图；
图2是本发明实施例提供的顺应式垂直通路立管柔性微段模型示意图；
图3是本发明实施例提供的柔性微段角度关系示意图；
图4是本发明实施例提供的柔性微段弯矩关系示意图；
图5是本发明实施例提供的柔性微段模型弯曲示意图；
图6是本发明实施例提供的柔性微段节点位移变化关系示意图；
图7是本发明实施例提供的变长度顺应式垂直通路立管安装下放动力分析模型求解流程图；
图8（a）是本发明实施例提供的顺应式垂直通路立管安装下放形态变化中全过程立管形态图；
图8（b）是本发明实施例提供的顺应式垂直通路立管安装下放形态变化中下放0-300s立管形态图；
图8（c）是本发明实施例提供的顺应式垂直通路立管安装下放形态变化中下放740-940s立管形态图；
图8（d）是本发明实施例提供的顺应式垂直通路立管安装下放形态变化中下放1440-2440s立管形态图；
图9（a）是本发明实施例提供的显示了顺应式垂直通路立管安装下放过程期间顶部张力时程曲线图；
图9（b）是本发明实施例提供的显示了顺应式垂直通路立管安装下放过程期间和底部顺流向位移时程曲线图；
图10是本发明实施例提供的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析系统示意图；
图中：1、节点位移求解模型和节点速度求解模型建立模块；2、变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；3、变长度动态响应规律获取模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一、解释说明实施例。
实施例1，如图1所示，本发明实施例提供的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法包括：
S1，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，根据柔性微段转角特点求解微段转角，进而通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型；
S2，基于建立节点位移和速度求解模型，并结合模型受力和两端边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；
S3，在此基础上结合海流流速、底部防喷器重量以及浮力块和重力块对顺应式垂直通路立管的作用力，并通过步骤S2建立的变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。
实施例2，本发明实施例提供的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法包括：
如图2顺应式垂直通路立管柔性微段模型示意图所示，以顶部浮体上立管安装下放设备作为原点O，沿着海流运动方向和垂直向下分别作为X轴、Y轴的正向，建立OXY全局坐标系，顺应式垂直通路立管视为一个二维的Euler-Bernoulli梁，并离散成N段等长度的微段。
柔性微段会在外力作用下发生弯曲，从节点角度和微段角度出发，将立管微段的转角与立管微段的长度结合，建立柔性立管微段系统（图3柔性微段角度关系示意图）。其中，θi是Ni-Ni+1微段的角度，代表X轴到线段Ni-Ni+1的转角；Δθi是微段角度的变化，代表Nj节点切线到直线Ni-Ni+1的转角；φi和φi+1都是节点角度，分别代表X轴到节点Ni切线和节点Ni+1切线的转角；图中Δφi表示为节点Ni切线和节点Ni+1切线之间的转角，是节点角度的变化。
假定微段中的弯矩呈线性变化，分别设节点Ni切线和节点Ni+1的弯矩为mi和mi+1，如图4柔性微段弯矩关系示意图所示，则微段上距离节点Ni任意长度l处的弯矩可以表示为：
（1）
其中为某一时刻微段的长度
根据弹性力学理论，曲率和弯矩的关系为：
（2）
其中，ρ为曲率，M为弯矩，E为弹性模量，I为截面惯性矩；
如图5柔性微段模型弯曲图所示，
ds两端法线的交点为曲率中心，则曲率半径
ρ可由下式求得：
（3）
式中为微分弧段，为微分弧段转角；
将方程（3）代入方程（2），得到：
（4）
将方程（1）代入方程（4），并在微段长度上进行积分，得到柔性微段节点转角变化Δφi的表达式如式（5）：
（5）
根据几何关系Δθi表示为：
（6）
微段节点角度
φ i 表示为：
（7）
将方程（4）代入方程（7），微段节点角度
φ i 为：
（8）
微段角度
θ i 为：
（9）
将方程（6）、方程（8）代入方程（9），微段角度
θ i 进一步表示为：
（10）
将上述微段角度和微段节点角度的关系式写成矩阵的形式如下：
（11）
（12）
其中，φ=[φ2，φ3，φ4，…，φn+1]T，φ1=[φ1，φ1，φ1，…，φ1]T，θ=[θ1，θ2，θ3，…，θn]T，P1和P2分别是由方程（8）和方程（10）得到的n×n矩阵。
柔性微段节点位移变化关系如图6所示；
节点Ni+1在X方向上的坐标为：
（13）
同理节点Ni+1在Y方向上的坐标为：
（14）
在获得节点Ni+1的位移后，节点Ni+1的在X方向和Y方向上的速度和，加速度和进一步通过下式（15）、式（16）分别求得；
（15）
（16）
顺应式垂直通路立管安装下放过程中所受到的外力包括，水动力、净重力以及惯性力。
假设质量和外力作用在节点上，作用在每个节点上的外力满足弯矩平衡方程：
（17）
式中，，分别为作用在节点Ni处合外力在X方向和Y方向的分量；
根据节点
N 1，
N 2，
N 3，…，
N n 的弯矩平衡关系，建立
n个方程组，获得变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；其中，每个节点上的弯矩值均未知，拥有
n个未知量，对于最后一个节点
N n+1，由于立管安装状态下立管底端自由，通过边界条件定义节点
N n+1处的弯矩；
在安装下放阶段，立管底部边界处于自由、无约束状态，立管顶部边界运动状态与浮式平台相同，边界条件表示为：
（18）
其中，和分别为安装设备下放速度及加速度；
变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型中存在N个未知量ξ，变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型通过向量Ω表示为：
（19）
在本发明一实施例中，变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型的求解包括：
（1）由第
i时刻已知的和，通过弯矩平衡方程去求解；
（2）通过公式（20）和公式（21）获得第
i+1时刻的和；
（20）
（21）
（3）再由第
i+1时刻的和通过弯矩平衡方程去得第
i+1时刻的；
（4）通过公式（22）对第i+1时刻的和进行修正；
（22）
（5）重复步骤（3）和步骤（4）直到和的变化满足下式为止：
（23）
（6）在得到第i+1时刻的解之后，再作为已知条件去求解下一时刻的解，直至得到立管在全部计算时间里的解。
实施例3，如图10所示，本发明实施例提供一种深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析系统包括：
节点位移求解模型和节点速度求解模型建立模块1，用于基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，根据柔性微段转角特点求解微段转角，进而通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型；
变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型2，用于基于建立节点位移和速度求解模型，并结合模型受力和两端边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；
变长度动态响应规律获取模块3，用于结合海流流速、底部防喷器重量以及浮力块和重力块对顺应式垂直通路立管的作用力，并通过建立的变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块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，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
二、应用实施例：
应用场景：本发明可应用于深水及超深水顺应式垂直通路立管安装下放响应预测。
应用场景深水及超深水油气田开发中顺应式垂直通路立管安装下放过程中的动力分析，无其他补充。
以下以某深水环境为例，对本申请公开的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法进行实施，得到顺应式垂直通路立管安装全过程构型变化以及响应时程，环境及顺应式垂直通路立管参数见表1，设置计算时间步为0.02s，线性下放速度为1m/s，海流流速0.5m/s，防喷器重量32T。立管初始长度160m，划分为160个微段，开始垂向下放。
表1环境及顺应式垂直通路立管参数
图8（a）是本发明实施例提供的顺应式垂直通路立管安装下放形态变化中全过程立管形态图。如图8（b）所示，在下部裸管（0-300m）的安装过程中，顺应式垂直通路立管由于下放长度较短而承受较小的弯矩，因此顺流向位移增量较小，当下部裸管安装完成后，底部最大位移达到6.6m。图8（b）和图8（c）显示，在大浮力块下部区域（300-490m）和小浮力块过渡区域安装下放过程中，由于浮力块的影响，顺应式垂直通路立管顺流向位移和弯曲变形将逐渐增加。过渡区安装完成（1000m）时，底部最大位移为130.74m。此外，从图8（c）还可以看出，安装上部重力模块时，立管顶部出现向下弯曲。从图8（d）可以看出，在上部裸管（1100-2600m）的安装过程中，顺应式垂直通路立管构型没有明显变化，但在海流影响下，顺流向位移逐渐增加。当顺应式垂直通路立管的所有部分下放完成时时，底部的最大位移为610.5m。
图9（a）和图9（b）分别显示了顺应式垂直通路立管安装期间顶部张力和底部位移的时程曲线。为了防止顺应式垂直通路立管的顶部张力超过装置的张力上限，必须特别注意顺应式垂直通路立管的顶张力变化。从图9（a）可以看出，顶部张力随着下部裸管的安装而增加，在裸管安装完成后（300m）达到第一个极值376.17kN。随后顶部张力随着下部大浮力块（300-490m）的安装而降低。当过渡区的小浮力块（490-1000m）安装时，由于过渡区浮力系数小于下部区域的浮力系数，因此顶部张力的减小速度变缓。当过渡区安装完成后，顶部张力达到整个安装过程中的最小值42.09kN。之后随着上部重力模块和上部裸管段的安装（1000-2600m），顶部张力继续增加，当所有管段下放完成时，顶部张力达到最大值373.94kN。
顺应式垂直通路立管安装期间较大的底部位移不利于立管和井口之间的后续连接操作，这需要在整个安装过程中清楚了解顺应式垂直通路立管的流向位移变化。图9（b）显示，在安装上部裸管区域（0-1100m）之前，由于浮力块和重力块的影响，顺应式垂直通路立管底部X方向的速度逐渐增加。安装上部裸管（1100-2600m）时，底部X方向的速度保持恒定，位移线性增加。当安装的所有部分完成时，底部的最大下游位移为610.5m。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本发明实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
本发明实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元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，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存取存储器（Random AccessMemory，RAM）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，该方法包括：
S1，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，根据柔性微段转角求解微段转角，再通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型；
S2，基于建立节点位移和速度求解模型，结合模型受力和两端边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；
S3，结合海流流速、底部防喷器重量以及浮力块和重力块对顺应式垂直通路立管的作用力，并通过建立的变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。
2.根据权利要求1所述的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，在步骤S1中，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段具体包括：
以顶部浮体上立管安装下放设备作为原点O，沿着海流运动方向和垂直向下分别作为X轴和Y轴的正向，建立OXY全局坐标系，将顺应式垂直通路立管作为二维的Euler-Bernoulli梁，并离散成N段等长度的柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型。
3.根据权利要求1所述的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，在步骤S1中，根据柔性微段转角求解微段转角包括：
柔性微段在外力作用下发生弯曲，根据节点角度和微段角度，将立管微段的转角与立管微段的长度结合，建立柔性微段角度关系模型式为：
（10）
柔性微段角度关系模型式（10）中，θ i 是N i -N i+1 微段的角度，代表X轴到线段Ni-Ni+1的转角；Δθi是微段角度的变化，代表Nj节点切线到直线Ni-Ni+1的转角；φi和φi+1均为节点角度，分别代表X轴到节点Ni切线和节点Ni+1切线的转角；Δφi表示为节点Ni切线和节点Ni+1切线之间的转角，为节点角度的变化；
微段中的弯矩呈线性变化，分别设节点Ni切线和节点Ni+1的弯矩为Mi和Mi+1，柔性微段弯矩关系模型中微段上距离节点Ni任意长度l处的弯矩表示为：
（1）
其中，为某一时刻微段的长度；
根据弹性力学理论，曲率和弯矩的关系为：
（2）
其中，ρ为曲率，M为弯矩，E为弹性模量，I为截面惯性矩；
根据节点弯矩、角度和长度的关系模型建立柔性微段模型弯曲模型，其中，ds两端法线的交点为曲率中心，则曲率半径ρ由下式（3）求得：
（3）
式中，为微分弧段，为微分弧段转角；
将方程（3）代入方程（2），得到：
（4）
将方程（1）代入方程（4），并在微段长度上进行积分，得到柔性微段节点转角变化Δφi的表达式如式（5）：
（5）
根据几何关系Δθi表示为：
（6）
微段节点角度φ i 表示为：
（7）
将方程（4）代入方程（7），微段节点角度φ i 为：
（8）
微段角度θ i 为：
（9）
将方程（6）、方程（8）代入方程（9），微段角度θ i 进一步表示为：
（10）
将上述微段角度和微段节点角度的关系式写成矩阵的形式如下：
（11）
（12）
其中，φ=[φ2，φ3，φ4，…，φn+1]T，φ1=[φ1，φ1，φ1，…，φ1]T，θ=[θ1，θ2，θ3，…，θn]T，P1和P2分别是由方程（8）和方程（10）得到的n×n矩阵。
4.根据权利要求1所述的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，在步骤S1中，通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型中，节点位移求解模型求解包括：
节点Ni+1在X方向上的坐标为：
（13）
同理节点Ni+1在Y方向上的坐标为：
（14）
节点速度求解模型求解包括：
在获得节点Ni+1的位移后，节点Ni+1的在X方向和Y方向上的速度和，加速度和进一步通过下式（15）、式（16）分别求得；
（15）
（16）。
5.根据权利要求1所述的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，在步骤S2中结合节点弯矩、角度和长度的关系模型受力和顶部边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型包括：
顺应式垂直通路立管安装下放过程中所受到的外力包括：水动力、净重力以及惯性力；
质量和外力作用在节点上，作用在每个节点上的外力满足弯矩平衡方程：
（17）
式中，，分别为作用在节点Ni处合外力在X方向和Y方向的分量；
根据节点N1，N2，N3，…，Nn的弯矩平衡关系，建立n个方程组，获得变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；其中，每个节点上的弯矩值均未知，拥有n个未知量，对于最后一个节点Nn+1，由于立管安装状态下立管底端自由，通过边界条件定义节点Nn+1处的弯矩；
在安装下放阶段，立管底部边界处于自由、无约束状态，立管顶部边界运动状态与浮式平台相同，边界条件表示为：
（18）
其中，和分别为安装设备下放速度及加速度；
变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型中存在N个未知量ξ，变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型通过向量Ω表示为：
（19）。
6.根据权利要求5所述的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型的求解包括：
（1）由第i时刻已知的和，通过弯矩平衡方程去求解；
（2）通过公式（20）和公式（21）获得第i+1时刻的和；
（20）
（21）
（3）再由第i+1时刻的和通过弯矩平衡方程去得第i+1时刻的；
（4）通过公式（22）对第i+1时刻的和进行修正；
（22）
（5）重复步骤（3）和步骤（4）直到和的变化满足下式为止：
（23）
（6）在得到第i+1时刻的解之后，再作为已知条件去求解下一时刻的解，直至得到立管在全部计算时间里的解。
7.一种深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析系统，其特征在于，该系统通过权利要求1~6任意一项所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法实现，其特征在于，所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析系统包括：
节点位移求解模型和节点速度求解模型建立模块（1），用于基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，根据柔性微段转角特点求解微段转角，进而通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型；
变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型（2），用于基于建立节点位移和速度求解模型，并结合模型受力和两端边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；
变长度动态响应规律获取模块（3），用于结合海流流速、底部防喷器重量以及浮力块和重力块对顺应式垂直通路立管的作用力，并通过建立的变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。
8.一种用于在深水及超深水海洋油气开发中顺应式垂直通路立管动力学检测装置，其特征在于，实施权利要求1-6任意一项所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法。
9.一种接收用户输入程序存储介质，其特征在于，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1-6任意一项所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法。
10.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-6任意一项所述深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法。
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