CN116306084B - 一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法 - Google Patents
一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116306084B CN116306084B CN202310020832.9A CN202310020832A CN116306084B CN 116306084 B CN116306084 B CN 116306084B CN 202310020832 A CN202310020832 A CN 202310020832A CN 116306084 B CN116306084 B CN 116306084B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- model
- constitutive
- parameters
- strain
- mpa
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 76
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000004567 concrete Substances 0.000 claims description 39
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 38
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 claims description 25
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims description 22
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 20
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 claims description 20
- 229920001875 Ebonite Polymers 0.000 claims description 19
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 claims description 19
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 claims description 19
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 15
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 12
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 12
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 11
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 8
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims description 7
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 7
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N Isoprene Chemical compound CC(=C)C=C RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000004323 axial length Effects 0.000 claims description 3
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims description 3
- 229920003211 cis-1,4-polyisoprene Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 3
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims 2
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 45
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 39
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 2
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- -1 falling object Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/14—Pipes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Revetment (AREA)
Abstract
本申请公开了一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，方法包括：对材料本构理论模型建模，根据建模结果构建基本网格体系；输入材料参数和本构模型参数；根据所述基本网格体系、所述材料参数和所述本构模型参数进行计算，得到计算结果；根据所述计算结果，输出所述材料本构理论模型的组件信息；根据所述组件信息输出应变结果，根据差别材料对应的所述应变结果进行对比，分析防护设计的有效性。本发明建立的数值模型，可以实时监测任意部件的变形和受力变化过程，以及输出任意断面和整体的变化过程，使其更易被展示和分析。本数值模型对不同材料的本构模型进行了改进，让整个数值模型更加符合自然规律的真实性。
Description
技术领域
本申请涉及清洁能源利用、海洋能源输运、海洋工程领域，具体而言涉及一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法。
背景技术
天然气作为一种清洁能源形式，在能源消费结构中的比例日益增加。海洋能源开发中主要通过管道输运方式将深海中开采的天然气运输到路上终端。海底管道是海上油气田开发的重要输运方式，具有稳定性好、营运成本低等优点。但是随着近年来海上航运业务的快速增加，海运船舶航线与海底天然气管道路由存在交叉重叠的情况，海底输气管道穿越航线的情况也逐渐增多。船舶航行中在紧急制动情况下的应急抛锚以及施工船舶掉落的工具装备等第三方活动极易引起海床中输气管道的损伤。海底输气管道一旦发生事故，修复工程比较复杂，经济损失巨大，还会造成环境污染。目前在实际工程中，对于穿越航道的输气管道一般采用挖沟铺设、原土回填或者碎石回填等防护方式。但是随着海上油气田开发的快速发展，对于海床中输气管道的防护方案需求也不断增加，相关研究得到越来越多的关注。
数值模拟方法是海床输气管道防护研究的一种重要手段，具有参数设置灵活、不受环境影响、经济性高等优点。目前现有的管道防护数值模型中主要针对沙土和碎石等材料开展模拟研究。本发明提出一种可模拟多种海床中输气管道防护方案的数值方法，并基于工程应用提出管道防护新方案。
发明内容
一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，基于有限元方法建模，主要包含输气管道、海床土、坠落物体、块石护面层和核心防护层五部分，其中核心防护层模块可实现混凝土沉排、硬橡胶层、沥青复合层和纤维增强复合材料层等不同材质的模拟。通过该模型可以对各种防护材料的性能进行模拟，在固定总防护层厚度的前提下，确定优化防护方案。本发明主要解决两方面问题：一是建立海床中输气管道防护方案的复杂数值模型；二是海床中输气管道上方防护层材料的选取和有效防护方案的设计。
为达到上述目的，本申请提供了以下方案：
一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，方法包括：
S1、对材料本构理论模型建模，根据建模结果构建基本网格体系；
S2、输入材料参数和本构模型参数；
S3、根据所述基本网格体系、所述材料参数和所述本构模型参数进行计算，得到计算结果；
S4、根据所述计算结果，输出所述材料本构理论模型的组件信息；
S5、根据所述组件信息输出应变结果，根据差别材料对应的所述应变结果进行对比，分析防护设计的有效性。
可选的，所述材料本构理论模型包括：
船锚模型：船锚模型采用弹性体或者刚性体模拟；
块石层模型：块石材料采用弹性体或者刚性体模拟；
海床土体模型：采用Mohr-Coulomb模型；
输气管道模型：管道模拟采用Cowper-Symonds模型；
混凝土模型：采用拉伸压缩塑性损伤模型和Lee、Fenves混凝土损伤模型屈服函数；
硬橡胶层模型：采用不可压缩3阶Ogden应变能函数和应力软化和大变形的超弹性本构模型；
沥青复合层模型：采用Johnson-Cook粘塑性模型；
纤维增强复合材料模型：纤维增强复合材料的损伤基于Hashin理论。
可选的，所述构建基本网格体系包括：
利用ABAQUS内部前处理软件、AutoCAD画图软件对所述材料本构理论模型的各个组成部分分别建模；
基于选定的模型尺寸和网格构建模型构建基本网格体系。
可选的，所述选定的模型尺寸具体包括：
所述船锚模型采用锚柄长度4117mm、锚身长度3173mm、锚身宽度1468mm，锚尖距离2232mm，锚尖高度2232mm的A型霍尔锚，网格单元尺寸为300mm；
所述块石层模型采用总厚度1.68m的块石护面层，块石设计重量为100～200kg，块石单元采用球体单元进行等效，球体单元直径范围为420～520mm，所述块石层模型采用统一直径460mm，网格尺寸为150nm；
所述海床土体模块采用厚度2.8m的海床土体，网格尺寸为100mm；
所述输气管道模型采用21英寸外径、15.9mm壁厚的钢制管道，模拟管道长度为28000mm，在撞击点附近轴向长度网格加密为40mm；非撞击点位置网格单元为100mm；
所述混凝土模型采用厚度为560mm，单元尺寸为280×280mm×280mm的混凝土块体，网格尺寸为40mm，块体单元间隔为50mm，中间采用编制尼龙绳连接绳连结成沉排结构；
所述硬橡胶层模型、沥青复合模型和纤维增强复合材料模型厚度为560mm、宽度为11.2m。
可选的，所述尼龙绳连接绳的参数设置具体包括：
尺寸为50mm×28mm，单元网格尺寸为5mm。
可选的，所述输入材料参数具体包括：
坠落物体选用16100kg重A型铁质霍尔锚，密度7800kg/m3，弹性模型207Gpa，泊松比0.20；
块石层采用闪长岩材料，密度2700kg/m3，弹性模量为50000Mpa，泊松比0.25；
海底管道选用X52钢材，密度7850kg/m3，弹性模量207Gpa，泊松比0.3；
硬橡胶材料由天然胶乳制成，主要成分为顺-1，4-聚异戊二烯为，密度为930kg/m3，弹性模量为2～4Mpa，泊松比0.45；
海床土体选取砂土材料，天然密度1600kg/m3，弹性模量34Mpa，泊松比0.3，摩擦角36.5°，剪胀角12°；
混凝土块体采用强度等级标号为C30的水工混凝土，水、水泥、沙、石子的配合比为0.42：1：1.152：2.449，密度为2380kg/m3，弹性模量为30000MPa，轴心抗拉压强度，泊松比0.2，分别为1.89MPa和23.1Mpa；
混凝土块体通过高强度编制尼龙绳连结成沉排结构，编制尼龙绳结构分为心线和绳鞘，中间的心线是平行并列或编制成辫状的尼龙丝，提供大部分抗拉力和缓冲作用；外层覆以平滑编制的尼龙绳鞘用于保护绳心，弹性模量为4000Mpa，泊松比0.20；
沥青复合材料选取AC-20C号沥青，密度2500kg/m3，弹性模量1835Mpa，泊松比0.25；
纤维增强复合材料：共分为三层复合结构，密度2200kg/m3，弹性模量＝152100Mpa，20115Mpa，20115Mpa，泊松比＝0.29，0.29，0.3928，剪切模量＝10405Gpa，10405Gpa，7200Gpa。
可选的，所述本构模型参数包括：
土体本构模型参数：粘聚力0.1Kpa，等效塑性应变0；
管道本构模型参数：屈服应力360Mpa，塑性应变0，极限应力554Mpa，塑性应变0.07，应变率相关参数M＝40.4，n＝5；
混凝土本构模型参数：膨胀角30°，偏心率0.1，初始双轴压缩屈服应力与初始单轴压缩屈服应力之比1.16，粘性系数0.0005；
硬橡胶本构模型参数：Ogden应变能参数，μi＝(0.696577447，-0.32272461，0.00099284)，αi＝(2.227881，2.504039，-2.92359)，Di＝(0,0,0)；
沥青复合材料模型参数：Johnson-Cook塑性参数，A＝7.98Mpa，B＝120.18Mpa，n＝0.581，m＝1.54，熔点温度＝1000℃，转变温度＝20℃，C＝0.45，ε＝0.0033；
纤维增强复合材料本构模型参数：纵向压缩强度＝(686Mpa，620Mpa)，横向压缩强度＝(39Mpa，128Mpa)，纵向剪切强度＝89Mpa，横向剪切强度＝140.85Mpa；纵向拉伸耗散能＝1986500mJ，纵向压缩耗散能＝1622700mJ，横向拉伸耗散能＝48700mJ，横向压缩耗散能＝524100mJ；
各部件相互接触统一采用通用接触属性，摩擦系数取为0.3。
可选的，对所述基本网格体系、所述材料参数和所述本构模型参数进行计算具体包括：
S301、节点计算，包括求解动力学平衡方程和对时间显示积分两个环节；
S302、单元计算，包括计算单元应变増量、根据本构关系计算应力和集成节点内力三个环节；
S303、时间步长递进，完成当前时间步长计算之后，进入下一时间步长，重新计算所述S301和所述S302。
本申请的有益效果为：
(1)以往主要通过物理模型试验手段对输气管道落物撞击及防护开展研究，但物理试验中较难观测到内部的变形和受力过程，通常只能获得最终的宏观变形和凹陷，或者传感器位置局部区域的变形和受力。通过本发明建立的数值模型，可以实时监测任意部件的变形和受力变化过程，以及输出任意断面和整体的变化过程，使其更易被展示和分析。
(2)数值模型一旦构建并完成准确性验证，其使用寿命是无限的，可以提供任意次数的模拟需求；并且可以任意地设置材料参数和设计不同地防护方案，与物理模型相比，在经济成本、人力成本和时间成本上都具有优势。
(3)目前已有的数值模型仅能模拟沙土材料和碎石材料的防护层，本发明的数值模型可以模拟更多种的防护材料，包括混凝土沉排、硬橡胶层、沥青复合层和纤维增强复合材料层等。所模拟的材料都具有一定的工程特点，其中混凝土沉排价格成本低、坚固耐用；硬橡胶层具有更好的可塑性和延展性；沥青复合层具有更好的防腐性和耐侵蚀性；纤维增强复合层具有更好的韧性和力学性能。本发明还可以进一步将上述材料进行组合设计，综合发挥不同材料的特性。
(4)本数值模型对不同材料的本构模型进行了改进，让整个数值模型更加符合自然规律的真实性。在混凝土材料本构模型中考虑了损伤积累导致的裂纹扩展，添加了拉伸和压缩损伤的破坏过程；在输气管道模型中添加了撞击作用下高应变率的屈服强度修正本构，考虑了硬化、应变率效应以及温度的影响；硬橡胶模型中考虑了应力软化、大变形以及超弹特性；沥青本构模型中考虑了应变硬化、应变率效应和温度影响，体现了粘塑特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的方法步骤图；
图2为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的数值模型立面图；
图3为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的数值模型平面图；
图4为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的块石护面模型图；
图5为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的混凝土沉排模型图；
图6为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的核心防护层——混凝土沉排的建模效果图；
图7为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的核心防护层——硬橡胶层模型+混凝土沉排的建模效果图；
图8为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的核心防护层——沥青复合层的建模效果图；
图9为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的核心防护层——纤维增强复合层的建模效果图；
图10为本申请实施例一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法的管道应变分布云图。
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
在本实施例中，一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，如图1-10所示，具体包括：S1、对材料本构理论模型建模，根据建模结果构建基本网格体系；
船锚模型：船锚模型采用弹性体或者刚性体模拟；
块石层模型：块石材料采用弹性体或者刚性体模拟；
海床土体模型：采用Mohr-Coulomb模型；
输气管道模型：管道模拟采用Cowper-Symonds模型；
混凝土模型：采用拉伸压缩塑性损伤模型和Lee、Fenves混凝土损伤模型屈服函数；
硬橡胶层模型：采用不可压缩3阶Ogden应变能函数和应力软化和大变形的超弹性本构模型；
沥青复合层模型：采用Johnson-Cook粘塑性模型；
纤维增强复合材料模型：纤维增强复合材料的损伤基于Hashin理论；
1)块石层模型：块石材料采用弹性体或者刚性体模拟，模拟时可以根据材料的软硬程度，设定其弹性模量和泊松比；当为刚性体时，其弹性模量设置为无穷大。
2)海床土体模型：在输气管道受撞击时，土体发生大幅度的弹塑性变形，采用Mohr-Coulomb模型，该模型在遇到土体大变形时仍能保持数值的稳定性；受拉破坏准则采用Rankine准则，通过粘聚力控制剪切塑性面的硬化或软化。
3)输气管道模型：钢材在冲击荷载作用下发生高速变形，其材料特性发生较大变化，即材料有较大的率相关性。因此，管道模拟采用Cowper-Symonds考虑应变率效应的弹塑性模型。
4)混凝土模型：采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中的拉伸压缩塑性损伤模型，考虑到混凝土在未受力时初始裂纹的存在和损伤积累导致的裂纹扩展，包括拉伸损伤的软化以及压缩损伤的硬软化。混凝土损伤模型屈服函数使用Lee和Fenves修正损伤模型，考虑拉伸和压缩强度的演变。
5)硬橡胶层模型：在冲击过程中，硬橡胶材料受压产生大变形，采用不可压缩3阶Ogden应变能函数，考虑了应力软化和大变形的超弹性本构模型，该模型与橡胶单双轴以及平面试验结果更加吻合，也适用于大变形问题的研究。
6)沥青复合层模型：沥青材料是一种典型的粘塑性材料，其力学性质和其所处环境状态有很大关系，需要综合考虑应变硬化、应变率效应和温度的因素，采用Johnson-Cook粘塑性模型能够很好的表达沥青材料的特性。
7)纤维增强复合材料模型：纤维增强复合材料的损伤基于Hashin理论，其损伤失效模式包括纤维拉伸与压缩、基体拉伸与压缩。在模拟过程中需要指定材料的弹性参数、损伤起始标准以及损伤演化过程。
模型单元形式设置：
1)输气管道采用S4R四结点减缩积分壳单元；管道撞击位置处附近加密细化网格，其余部件均匀划分网格。
2)土体采用EC3D8R八结点线性欧拉六面体减缩积分单元，用以处理碰撞过程产生的大变形问题。
3)船锚采用C3D10M十结点修正二次四面体单元，尽可能真实反映船锚形状，满足模型采用动力显示分析。
4)块石层不属于连续体，模型中将块石设置为球体，采用阵列功能，在三个坐标方向上进行复制生成离散体阵列；模型运算后，使块石离散体自由塌落，形成稳定块石层。
5)混凝土沉排设置中，由于混凝土块体及连接绳数量众多，直接使用阵列功能并通过装配模块中的“合并/切割实体”功能生成整体沉排模型。
6)混凝土方块连接尼龙绳采用B31两结点空间线性梁单元。
7)对于涉及到的拉格朗日体与欧拉体的耦合分析，采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)分析法。
8)模型所有材料之间统一采用通用接触算法，考虑了欧拉材料和拉格朗日材料曲面之间的接触，可自动补偿网格尺寸差异，以防止欧拉材料穿透拉格朗日曲面。
9)海床中输气管道受冲击问题的具有对称性，为提高计算效率，以撞击点为中心建立对称模型，只模拟其中一半区域，在中心截断的位置设置对称边界约束。
10)数值模型的最外侧边界采用刚性壁面进行约束，以模拟实际中无限大区域的边界约束条件。
模型尺寸及网格设置：
1)A型霍尔锚：锚柄长度4117mm，锚身长度3173mm，锚身宽度1468mm，锚尖距离2232mm，锚尖高度2232mm，网格单元尺寸300mm。
2)输气管道：21英寸(559mm)外径、壁厚15.9mm的钢制管道，模拟管道的长度取50倍管道外径(如图3)，约为28000mm；在撞击点附近轴向长度网格加密为40mm，其余位置网格单元为100mm；
3)块石护面层：总厚度1.68m，约为3倍管道直径(3D)。块石设计重量为100～200kg，块石单元采用球体单元进行等效，球体单元直径范围为420～520mm。模型中球体单元采用统一直径460mm，网格尺寸为150mm，如图4所示。
4)海床土体：厚度2.8m，约为5倍输气管道直径(5D)，网格尺寸100mm。
5)混凝土块体：厚度560mm，即1倍管道直径，混凝土块体单元尺寸为280mm×280mm×280mm(长×宽×高)，网格尺寸取为40mm；块体单元间隔50mm，中间采用编制尼龙绳连结成沉排结构，如图5所示。
6)尼龙绳连接绳：尺寸50mm×28mm(长×直径)，按梁单元模拟，单元网格尺寸取为5mm。
7)硬橡胶垫、沥青复合层和纤维增强复合层：厚度均为560mm，即1倍管道直径，宽度11.2m，约为20倍管外径。
S2、输入材料参数和本构模型参数；
材料参数：
1)坠落物体选用国家标准《GBT 546-2016》中16100kg重A型铁质霍尔锚，密度7800kg/m3，弹性模型207Gpa，泊松比0.20。
2)块石层采用闪长岩材料，密度2700kg/m3，弹性模量为50000Mpa，泊松比0.25。
3)海底管道选用X52钢材，密度7850kg/m3，弹性模量207Gpa，泊松比0.3。
4)硬橡胶材料由天然胶乳制成，主要成分为顺-1，4-聚异戊二烯为，密度为930kg/m3，弹性模量为2～4Mpa，泊松比0.45。
5)海床土体选取砂土材料，天然密度1600kg/m3，弹性模量34Mpa，泊松比0.3，摩擦角36.5°，剪胀角12°。
6)混凝土块体采用强度等级标号为C30的水工混凝土，水、水泥、沙、石子的配合比为0.42：1：1.152：2.449，密度为2380kg/m3，弹性模量为30000MPa，轴心抗拉压强度，泊松比0.2，分别为1.89MPa和23.1Mpa；
7)混凝土块体通过高强度编制尼龙绳连结成沉排结构，编制尼龙绳结构分为心线和绳鞘，中间的心线是平行并列或编制成辫状的尼龙丝，提供大部分抗拉力和缓冲作用；外层覆以平滑编制的尼龙绳鞘用于保护绳心，弹性模量为4000Mpa，泊松比0.20。
8)沥青复合材料选取AC-20C号沥青，密度2500kg/m3，弹性模量1835Mpa，泊松比0.25。
9)纤维增强复合材料：共分为三层复合结构，密度2200kg/m3，弹性模量＝(152100Mpa，20115Mpa，20115Mpa)，泊松比＝(0.29，0.29，0.3928)，剪切模量＝(10405Gpa，10405Gpa，7200Gpa)。
本构模型参数：
1)土体本构模型参数：粘聚力0.1Kpa，等效塑性应变0。
2)管道本构模型参数：屈服应力360Mpa，塑性应变0，极限应力554Mpa，塑性应变0.07，应变率相关参数M＝40.4，n＝5。
3)混凝土本构模型参数：膨胀角30°，偏心率0.1，初始双轴压缩屈服应力与初始单轴压缩屈服应力之比1.16，粘性系数0.0005。
4)硬橡胶本构模型参数：Ogden应变能参数，μi＝(0.696577447，-0.32272461，0.00099284)，αi＝(2.227881，2.504039，-2.92359)，Di＝(0,0,0)。
5)沥青复合材料模型参数：Johnson-Cook塑性参数，A＝7.98Mpa，B＝120.18Mpa，n＝0.581，m＝1.54，熔点温度＝1000℃,转变温度＝20℃，C＝0.45，ε＝0.0033。
6)纤维增强复合材料本构模型参数：纵向压缩强度＝(686Mpa，620Mpa)，横向压缩强度＝(39Mpa，128Mpa)，纵向剪切强度＝89Mpa，横向剪切强度＝140.85Mpa。纵向拉伸耗散能＝1986500mJ，纵向压缩耗散能＝1622700mJ，横向拉伸耗散能＝48700mJ，横向压缩耗散能＝524100mJ。
7)各部件相互接触统一采用通用接触属性，摩擦系数取为0.3。
S3、根据所述基本网格体系、所述材料参数和所述本构模型参数进行计算，得到计算结果；
采用动力显示算法，其完整计算流程如下：
S301、节点计算，包括求解动力学平衡方程和对时间显示积分两个环节；
S302、单元计算，包括计算单元应变増量、根据本构关系计算应力和集成节点内力三个环节；
S303、时间步长递进，完成当前时间步长计算之后，进入下一时间步长，重新计算步骤S301和S302。
S4、根据所述计算结果，输出所述材料本构理论模型的组件信息；
以odb、dat、res和fil等文件格式输出模型中各个组件的信息，工程中主要关注的参数包括输气管道的应变、应力、挠曲变形和局部凹陷值；海床土体的变形和应力分布；护面块石层的稳定性；核心防护层的变形等。
S5、根据所述组件信息输出应变结果，根据差别材料对应的所述应变结果进行对比，分析防护设计的有效性。
以输气管道应变和变形为例，主要将输出的管壁环向应力、管壁轴向应力、管壁径向应力、管壁弯曲应力、管壁温度应力、管壁残余应力等以云图的形式输出，或者沿给定的截面进行输出之后，同时还可以输出对应的应变结果，与材料的设计强度、规范中的设计限制，以及不同防护材料下的结果之间进行对比，以分析防护设计的有效性。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，其特征在于，方法包括：
S1、对材料本构理论模型建模，根据建模结果构建基本网格体系；
S2、输入材料参数和本构模型参数；
S3、根据所述基本网格体系、所述材料参数和所述本构模型参数进行计算，得到计算结果；
S4、根据所述计算结果，输出所述材料本构理论模型的组件信息；
S5、根据所述组件信息输出应变结果，根据差别材料对应的所述应变结果进行对比，分析防护设计的有效性；
所述材料本构理论模型包括：
船锚模型：船锚模型采用弹性体或者刚性体模拟；
块石层模型：块石材料采用弹性体或者刚性体模拟；
海床土体模型：采用Mohr-Coulomb模型；
输气管道模型：管道模拟采用Cowper-Symonds模型；
混凝土模型：采用拉伸压缩塑性损伤模型和Lee、Fenves混凝土损伤模型屈服函数；
硬橡胶层模型：采用不可压缩3阶Ogden应变能函数和应力软化和大变形的超弹性本构模型；
沥青复合层模型：采用Johnson-Cook粘塑性模型；
纤维增强复合材料模型：纤维增强复合材料的损伤基于Hashin理论；
所述输入材料参数具体包括：
坠落物体选用16100kg重A型铁质霍尔锚，密度7800kg/m3，弹性模型207Gpa，泊松比0.20；
块石层采用闪长岩材料，密度2700kg/m3，弹性模量为50000Mpa，泊松比0.25；
海底管道选用X52钢材，密度7850kg/m3，弹性模量207Gpa，泊松比0.3；
硬橡胶材料由天然胶乳制成，主要成分为顺-1，4-聚异戊二烯为，密度为930kg/m3，弹性模量为2～4Mpa，泊松比0.45；
海床土体选取砂土材料，天然密度1600kg/m3，弹性模量34Mpa，泊松比0.3，摩擦角36.5°，剪胀角12°；
混凝土块体采用强度等级标号为C30的水工混凝土，水、水泥、沙、石子的配合比为0.42：1：1.152：2.449，密度为2380kg/m3，弹性模量为30000MPa，轴心抗拉压强度，泊松比0.2，分别为1.89MPa和23.1Mpa；
混凝土块体通过高强度编制尼龙绳连结成沉排结构，编制尼龙绳结构分为心线和绳鞘，中间的心线是平行并列或编制成辫状的尼龙丝，提供大部分抗拉力和缓冲作用；外层覆以平滑编制的尼龙绳鞘用于保护绳心，弹性模量为4000Mpa，泊松比0.20；
沥青复合材料选取AC-20C号沥青，密度2500kg/m3，弹性模量1835Mpa，泊松比0.25；
纤维增强复合材料：共分为三层复合结构，密度2200kg/m3，弹性模量＝152100Mpa，20115Mpa，20115Mpa，泊松比＝0.29，0.29，0.3928，剪切模量＝10405Gpa，10405Gpa，7200Gpa；
所述本构模型参数包括：
土体本构模型参数：粘聚力0.1Kpa，等效塑性应变0；
管道本构模型参数：屈服应力360Mpa，塑性应变0，极限应力554Mpa，塑性应变0.07，应变率相关参数M＝40.4，n＝5；
混凝土本构模型参数：膨胀角30°，偏心率0.1，初始双轴压缩屈服应力与初始单轴压缩屈服应力之比1.16，粘性系数0.0005；
硬橡胶本构模型参数：Ogden应变能参数，μi＝(0.696577447，-0.32272461，0.00099284)，αi＝(2.227881，2.504039，-2.92359)，Di＝(0,0,0)；
沥青复合材料模型参数：Johnson-Cook塑性参数，A＝7.98Mpa，B＝120.18Mpa，n＝0.581，m＝1.54，熔点温度＝1000℃，转变温度＝20℃，C＝0.45，ε＝0.0033；
纤维增强复合材料本构模型参数：纵向压缩强度＝(686Mpa，620Mpa)，横向压缩强度＝(39Mpa，128Mpa)，纵向剪切强度＝89Mpa，横向剪切强度＝140.85Mpa；纵向拉伸耗散能＝1986500mJ，纵向压缩耗散能＝1622700mJ，横向拉伸耗散能＝48700mJ，横向压缩耗散能＝524100mJ；
各部件相互接触统一采用通用接触属性，摩擦系数取为0.3。
2.根据权利要求1所述的模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，其特征在于，所述构建基本网格体系包括：
利用ABAQUS内部前处理软件、AutoCAD画图软件对所述材料本构理论模型的各个组成部分分别建模；
基于选定的模型尺寸和网格构建模型构建基本网格体系。
3.据权利要求2所述的模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，其特征在于，所述选定的模型尺寸具体包括：
所述船锚模型采用锚柄长度4117mm、锚身长度3173mm、锚身宽度1468mm，锚尖距离2232mm，锚尖高度2232mm的A型霍尔锚，网格单元尺寸为300mm；
所述块石层模型采用总厚度1.68m的块石护面层，块石设计重量为100～200kg，块石单元采用球体单元进行等效，球体单元直径范围为420～520mm，所述块石层模型采用统一直径460mm，网格尺寸为150nm；
所述海床土体模块采用厚度2.8m的海床土体，网格尺寸为100mm；
所述输气管道模型采用21英寸外径、15.9mm壁厚的钢制管道，模拟管道长度为28000mm，在撞击点附近轴向长度网格加密为40mm；非撞击点位置网格单元为100mm；
所述混凝土模型采用厚度为560mm，单元尺寸为280×280mm×280mm的混凝土块体，网格尺寸为40mm，块体单元间隔为50mm，中间采用编制尼龙绳连接绳连结成沉排结构；
所述硬橡胶层模型、沥青复合模型和纤维增强复合材料模型厚度为560mm、宽度为11.2m。
4.根据权利要求3所述的模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，其特征在于，所述尼龙绳连接绳的参数设置具体包括：
尺寸为50mm×28mm，单元网格尺寸为5mm。
5.根据权利要求1所述的模拟海床输气管道冲击防护的数值方法，其特征在于，对所述基本网格体系、所述材料参数和所述本构模型参数进行计算具体包括：
S301、节点计算，包括求解动力学平衡方程和对时间显示积分两个环节；
S302、单元计算，包括计算单元应变増量、根据本构关系计算应力和集成节点内力三个环节；
S303、时间步长递进，完成当前时间步长计算之后，进入下一时间步长，重新计算所述S301和所述S302。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310020832.9A CN116306084B (zh) | 2023-01-06 | 2023-01-06 | 一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310020832.9A CN116306084B (zh) | 2023-01-06 | 2023-01-06 | 一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116306084A CN116306084A (zh) | 2023-06-23 |
| CN116306084B true CN116306084B (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=86833115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310020832.9A Active CN116306084B (zh) | 2023-01-06 | 2023-01-06 | 一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116306084B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117195667B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-03-22 | 中交天津港湾工程研究院有限公司 | 一种dcm联合块石基床振夯施工仿真分析方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DK411481A (da) * | 1980-01-18 | 1981-09-16 | Larsen Ole Fjord | Apparat til loeftning af en genstand der bevaeger sig fra eettet sted til et andet og fremgangsmaade til anvendelse af appara |
| CN110296885A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-10-01 | 华北电力大学（保定） | 一种光电复合海缆的机械故障监测方法 |
| CN110987670A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-04-10 | 天津大学 | 模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置及方法 |
| CN211718006U (zh) * | 2019-11-19 | 2020-10-20 | 天津大学 | 模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置 |
| CN114330072A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 中国地质大学（武汉） | 一种考虑土体空间变异性的管道撞击损伤分析方法、设备 |
| CN114896836A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-08-12 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 基于落锚-海缆-土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法 |
| KR20220120084A (ko) * | 2021-02-23 | 2022-08-30 | 한국해양대학교 산학협력단 | 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법 |
| CN115081279A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-09-20 | 西安理工大学 | 一种落石冲击下pccp管道结构损伤评价方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2477780B (en) * | 2010-02-12 | 2015-06-24 | Subsea 7 Ltd | Method of laying a hybrid pipeline offshore |
| GB2501523B (en) * | 2012-04-27 | 2015-08-05 | Acergy France SAS | Method and apparatus for design of pipeline components |
-
2023
- 2023-01-06 CN CN202310020832.9A patent/CN116306084B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DK411481A (da) * | 1980-01-18 | 1981-09-16 | Larsen Ole Fjord | Apparat til loeftning af en genstand der bevaeger sig fra eettet sted til et andet og fremgangsmaade til anvendelse af appara |
| CN110296885A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-10-01 | 华北电力大学（保定） | 一种光电复合海缆的机械故障监测方法 |
| CN110987670A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-04-10 | 天津大学 | 模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置及方法 |
| CN211718006U (zh) * | 2019-11-19 | 2020-10-20 | 天津大学 | 模拟潜埋管缆受落物冲击效应的实验装置 |
| KR20220120084A (ko) * | 2021-02-23 | 2022-08-30 | 한국해양대학교 산학협력단 | 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법 |
| CN114330072A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 中国地质大学（武汉） | 一种考虑土体空间变异性的管道撞击损伤分析方法、设备 |
| CN114896836A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-08-12 | 国网山东省电力公司烟台供电公司 | 基于落锚-海缆-土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法 |
| CN115081279A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-09-20 | 西安理工大学 | 一种落石冲击下pccp管道结构损伤评价方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 不同覆盖层对海底管道受落锚冲击防护有效性的试验研究;张一平等;水道港口;140-147 * |
| 内压与海床联合作用下海底管道撞击数值研究;汪颖等;石油机械;115-119 * |
| 海底管道受抛锚撞击的数值模拟;甘浪雄等;安全与环境学报;第18卷(第2期);560-566 * |
| 砂质海床条件下海底电缆埋深研究;王亚东;伍林伟;高彬;曾二贤;;南方能源建设(第03期);87-94 * |
| 船舶抛锚对浅水区埋置管道的损伤分析;冯雅萍;李英;吴子昂;;船海工程(第04期);169-172 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116306084A (zh) | 2023-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fang et al. | Three-dimensional modelling of steel fiber reinforced concrete material under intense dynamic loading | |
| CN116306084B (zh) | 一种模拟海床输气管道冲击防护的数值方法 | |
| Hu et al. | Rehabilitation Effect Evaluation of CFRP‐Lined Prestressed Concrete Cylinder Pipe under Combined Loads Using Numerical Simulation | |
| Wu et al. | Dynamic compressive behavior of asphalt concrete material under impact load | |
| Lee et al. | Deflection of buried prestressed concrete cylinder pipe with soil-pipe interaction | |
| Long et al. | Numerical simulation of reinforcement strengthening for high‐arch dams to resist strong earthquakes | |
| Yu et al. | Two-dimensional meso-scale simulation of hydraulic fracture in concrete | |
| Liu et al. | Comparison between the seismic performance of buried pipes and pipes in a utility tunnel | |
| Yan et al. | 3D numerical simulation of shield tunnel subjected to swelling effect considering the nonlinearity of joint bending stiffness | |
| Aghajanzadeh et al. | Nonlinear dynamic analysis of concrete gravity dam considering elastoplastic constitutive model for foundation | |
| Vaghefi et al. | Evaluation of the effect of explosion on the concrete bridge deck using LS-DYNA | |
| Stephansson | Rock bolting: Theory and application in mining and underground construction: Proceedings of the international symposium, Abisko, Sweden, 28 August-2 September 1983 | |
| Hao et al. | Mechanics of Structures and Materials XXIV: Proceedings of the 24th Australian Conference on the Mechanics of Structures and Materials (ACMSM24, Perth, Australia, 6-9 December 2016) | |
| Kadhim et al. | Experimental and nonlinear analysis of cracking in concrete arch dams due to seismic uplift pressure variations | |
| Abdollahi et al. | Numerical investigation on performance of expanded polystyrene geofoam block in protecting buried lifeline structures | |
| Song et al. | Seismic damage analysis of the outlet piers of arch dams using the finite element sub-model method | |
| Abbasiverki et al. | Seismic response of large diameter buried concrete pipelines subjected to high frequency earthquake excitations | |
| Liu et al. | Numerical analysis and strength evaluation of an exposed river crossing pipeline with casing under flood load | |
| Zhan et al. | Cohesive Element Method for Ice Load on Conical Structures | |
| Miao et al. | Seismic Response Analysis of Secondary Lining Polymer Grouting Debonding Repair for Tunnel Construction Based on Parameter Inversion | |
| Wang et al. | Analysis of Damage Evolution Characteristics of Surrounding Rock in Deep Anchorage Cavern under Dynamic Loading. | |
| Heirany et al. | Effect of foundation in dynamic analysis of concrete gravity dams | |
| Işık | Numerical modelling of reinforced concrete pressure tunnels using the overlapping lattice method | |
| Shaver et al. | Effect of Erosion Voids on Rigid Sewers of Non-Circular Shape | |
| He | Research on the evaluation model of deep foundation pit supporting structures in urban traffic tunnels |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |