[發明專利]基于全局尋優迭代算法的埋地柔性管道有限元簡化方法

有效

• 申請號: 202010191611.4
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111428403B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 肖俊;盧雪松;方璽;李俊;呂泳
• 申請（專利權）人: 黃岡師范學院;武漢理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/14
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 艾小倩

1.一種基于全局尋優迭代算法的埋地柔性管道有限元簡化方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)利用有限元軟件建立管道模型：

(1.1)利用有限元軟件建立管道模型，進行網格劃分；

(1.2)根據相關工程圖紙相關參數建立管道有限元模型，所述相關參數包括管長、管道壁厚、管密度、管各向彈性模量、管剪切模量和管泊松比；

(1.3)對建立的模型進行網格劃分，所述網格劃分即，軸向管線為總長度的1/600-1/500，環向管線為總長度的1/60-1/48；

(1.4)對劃分好網格的模型進行參數提取，獲得各單元、節點空間位置信息(x，y，z)；

2)根據公式計算求得理論柔性管水平方向土壓值和管徑向總伸長量；

(2.1)依據相關理論，確定管周靜土壓分布：作用于管頂的垂直荷載為均布，分布寬度與管道外徑相同；管底承受地基垂直反力，均勻分布在管座對應的圓心角2α范圍內；管側承受土壤彈性抗力，其強度按二次拋物線規律分布，作用范圍對應圓心角2β，最大抗力與管徑水平方向的總伸長量、管道變形滯后系數、管的平均半徑有關；

(2.2)確定管水平方向的最大土壓公式，其中最大土壓是與管徑水平方向的總伸長量相關的變量；

最大土壓為q_H＝E'Δ/(2FR)；

式中：E'為土體反力模量，Δ為管徑水平方向的總伸長量，F為管道變形滯后系數，R為管的平均半徑；

采用結構力學的方法，根據管道截面彎矩和圓管撓度方程，確定管徑水平方向的總伸長量理論公式，為

式中：K_α為管道基座系數，q為垂直靜土壓力，Ey為管環向表觀彎曲彈性模量，I為管壁單位寬度表觀截面慣性矩；所述垂直靜土壓力可根據回填土容量和管頂覆土深度求得；

(2.3)根據最大土壓公式和管徑水平方向的總伸長量理論公式，求得理論柔性管水平方向土壓值q_H和管徑向總伸長量Δ；

3)將柔性管管周靜土壓初始值施加到有限元模型各節點；

(3.1)根據有限元模型各單元、節點空間位置(x，y，z)，編寫柔性管管周靜土壓在有限元模型中的施加程序；

(3.2)根據二次拋物線方程，由q_H確定水平方向各節點水平土壓力值；

(3.3)施加柔性管管周靜土壓初始值到有限元模型；

4)計算得到管徑向總伸長量有限元解；

(4.1)根據實際工程情況，確定有限元模型合理約束條件；

(4.2)計算得到管徑向總伸長量Δ的有限元解；

5)建立全局尋優迭代算法目標函數，判斷徑向變形誤差；

(5.1)通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配，利用全局尋優迭代算法對未知數據進行求解；

(5.2)根據全局尋優迭代算法原理建立目標函數|Δi-Δi-1|/|Δi|≤ε，目標函數ε取值為0.05％-0.1％；

(5.3)根據目標函數|Δi-Δi-1|/|Δi|≤ε，使前后兩次計算得到的徑向變形誤差在目標函數取值范圍內；

6)判斷徑向變形誤差是否過大，如果徑向變形誤差過大，計算全局尋優迭代算法靈敏度矩陣，得到下次迭代的水平方向土壓值，具體為：

(6.1)判斷徑向變形誤差ε是否過大；

(6.2)如果徑向變形誤差ε過大，計算全局尋優迭代算法靈敏度矩陣，靈敏度矩陣如：

(6.3)得到下次迭代的水平方向土壓值q_H；

(6.4)帶入管道有限元模型進行計算；

(6.5)檢查水平方向土壓值q_H是否越界，越界值不能超過理論值的10％，若越界，則在解析空間找最接近的替代值，帶入模型繼續計算，替代值由水平方向最大位移、豎直方向最大位移和水平靜土壓決定；

7)將土壓力值施加到有限元模型，得到埋地柔性管應力分布情況，確定柔性管危險發生區域。