[發明專利]一種深海管道S型鋪設動力模擬方法

有效

• 申請號: 202011266339.8
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112487676B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 徐普;杜志新;張挺;蘇燕
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/10;G06F113/14;G06F119/12;G06F119/14
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學俊

本發明涉及一種深海管道S型鋪設動力模擬方法，包括以下步驟,步驟S1:基于向量式有限元建立S型鋪設管道質點運動控制方程；步驟S2：根據得到的S型鋪設管道質點運動控制方程，采用顯示中央差分法求解獲得管道質點位移和轉角；步驟S3:根據材料力學的撓曲理論，計算鋪設管道內力；步驟S4:計算鋪設管道外力；步驟S5:更新質點位置和轉角,循環步驟S2?步驟S4，直到達到計算總時長，輸出動力模擬計算結果。本發明同時考慮管道與托管架以及海床土的動態接觸作用，分析過程能夠隨時改變荷載與邊界條件，更好模擬動態海洋環境作用下管道受力特征，分析更加準確可靠。

技術領域

本發明涉及深海油氣管道鋪設安裝領域，具體涉及一種深海管道S型鋪設動力模擬方法。

背景技術

深海管道將海底油井產出的石油和天然氣運送到陸地，是海洋油氣開發重要的集輸運手段。S型鋪管法將油氣管道通過鋪管船上張緊器張拉著，經由托管架逐漸下放到海底，具有鋪設管徑大、速度快等優點，是海洋油氣管道鋪設最常用的方法。隨著海洋油氣開發邁向深海，深海復雜海洋環境使得管道鋪設難度大、風險高，對管道S型鋪設模擬計算方法提出更高要求。

深海S型鋪設管道涉及大撓度幾何變形、材料性能、邊界接觸和水動力荷載等非線性，給鋪設動力模擬計算帶來較大挑戰。目前常采用懸鏈線法和攝動法將動力模擬簡化為擬靜力分析，無法準確計算海洋環境動力荷載，或采用有限差分法和非線性有限元法計算海洋環境動力荷載，但通常將托管架和海床土簡化為剛性，難以準確計算管道的動力響應。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種深海管道S型鋪設動力模擬方法，同時考慮管道與托管架以及海床土的動態接觸作用，分析過程能夠隨時改變荷載與邊界條件，更好模擬動態海洋環境作用下管道受力特征。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種深海管道S型鋪設動力模擬方法，包括以下步驟：

步驟S1:基于向量式有限元建立S型鋪設管道質點運動控制方程；

步驟S2：根據得到的S型鋪設管道質點運動控制方程，采用顯示中央差分法求解獲得管道質點位移和轉角；

步驟S3:計算鋪設管道內力；

步驟S4:計算鋪設管道外力；

步驟S5:更新質點位置和轉角,循環步驟S2-步驟S4，直到達到計算總時長，輸出動力模擬計算結果。

進一步的，所述步驟S1具體為:

步驟S11:預設在整體域坐標系(x,y,z)，管道的初始位置為水平，頂端固定在鋪管船張緊器上，底端自由；

步驟S12:基于向量式有限元方法，將管道離散成N+1個由N個彎曲梁單元相連的質點，單元質量平均分于相連接的兩端質點，所受內力、外力和彎矩等效施加于兩端質點，管道結構的運動和受力都由質點來反映；

步驟S13:管道在重力和浮力作用下自由降落到達海床，底端錨固，形成S形態；

步驟S13:預設初始和終止時間分別為t₀和t_n，將整個分析歷時分成一組時間點t₀,…,t_i-1,t_i,t_i+1,…,t_n，時段t_i-1-t_i為一個途徑單元，在任一途徑單元內管道質點P的運動滿足牛頓第二定律，運動控制方程表示為：