專利名稱：：海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及石油管道懸跨的安全分析及測算方法，具體是涉及一種海床上石油管道懸跨的安全性進行計算機分析和測算的方法，以便對海洋石油管道在預(yù)定及已建海床路線下的懸跨安全性進行評估，為補救處理提供依據(jù)。
背景技術(shù)：
：海洋石油管道工程是海洋工程技術(shù)中難度較大的項目之一，一條完整的海洋石油管道沿預(yù)定的海床路線鋪設(shè)而成，由于海床地形復(fù)雜，海洋石油管道在海床上的鋪設(shè)難免會有懸空跨空現(xiàn)象，這對海洋管道的安全影響非常巨大。一般的海洋工程項目如鉆井平臺，導(dǎo)管架，管匯結(jié)構(gòu)等的損壞通常是漸進、緩慢及可目測的，即使損壞了也能進行不同程度的維修設(shè)計及施工。而海洋石油管道項目往往是位于深達(dá)數(shù)十、上百米甚至到達(dá)上千米以下的海床上，一旦管道因懸跨過長導(dǎo)致失敗破損并進水的話，這個失敗過程是瞬間、突然并具極大破壞性的，并且很可能導(dǎo)致整條高額投資的管線因此而報廢。因此，對于海洋石油管道的前期設(shè)計，或者是已經(jīng)建造好的海洋石油管道，對其懸跨狀態(tài)，特別是管道多懸跨狀態(tài)進行分析測算，以獲得較為準(zhǔn)確的管道懸跨形態(tài)、受力以及位移等參數(shù)數(shù)據(jù)，用于安全評估，以便預(yù)先或者及時采取補救措施，對管道材料、管道結(jié)構(gòu)、管內(nèi)運輸物的物理數(shù)據(jù)或海洋石油管道路線進行必要的調(diào)整，以滿足項目的安全及功能要求就變得尤為重要了。海底管懸跨以往使用傳統(tǒng)分析方法進行計算?；诒Ｊ氐募俣ê秃喕?，傳統(tǒng)分析方法為單個懸跨的位移和應(yīng)力提供了快速的解答。但此解答是近似的，不能分析置于粗糙海床下出現(xiàn)的海洋石油管道多重懸跨結(jié)構(gòu)。因此，傳統(tǒng)的分析方法已難以滿足日趨嚴(yán)格的海洋管道懸跨安全性設(shè)計要求了。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種對海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，以便為海床上石油管道在預(yù)定海床路線下可能出現(xiàn)影響安全的嚴(yán)重懸跨路段進行設(shè)計修正，或者為己建海床路線下可能出現(xiàn)影響安全的嚴(yán)重懸跨路段進行補救處理提供依據(jù)。本發(fā)明利用有限元模擬平臺建立海洋石油管道的力學(xué)模型進行安全性分析測算。選擇ANSYS為本發(fā)明的有限元模擬平臺。故本發(fā)明涉及的管道模型即是指計算機模擬的海洋石油管道的力學(xué)模型，模型采用一個基于庫侖摩擦原理的3維點對面接觸摩擦元素CONTAC49，用于模擬管道一土壤兩個表面的接觸，間隔和滑動的相互作用。為對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚的描述，先就模型涉及的幾個概念進行定義。本發(fā)明涉及的海管元素定義如下在模型計算和分析過程中，引入海管節(jié)點6及海管元素的概念，參見圖l，其中，海洋元素由外管ll、內(nèi)管13和位于內(nèi)外管之間泡沫層12構(gòu)成，參見圖1，本發(fā)明提及的海洋石油管道均是指外管11、內(nèi)管13和泡沫層12構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)，外管11、內(nèi)管13和泡沫層12則分別是指其各自的單體結(jié)構(gòu)。海洋石油管道就是所有海管元素的集合。海洋石油管道的起始端和終結(jié)端均稱為海洋石油管道即管道模型的末端。本發(fā)明涉及的海管元素自由度定義如下參見圖2，海洋石油管道的6個自由度分別指豎向(UZ向)、橫向(UY向)、縱向(UX向)的3個自由度和豎向軸旋轉(zhuǎn)(ROTZ)、橫向軸旋轉(zhuǎn)(ROTY)、縱向軸旋轉(zhuǎn)(ROTX)的3個自由度，所述的豎向(UZ向)是指節(jié)點單位坐標(biāo)軸Z向的方向；橫向(UY向)是指節(jié)點單位坐標(biāo)軸Y向的方向；縱向(UX向)是指節(jié)點單位坐標(biāo)軸X向的方向。本發(fā)明涉及的海床元素定義如下設(shè)定以海洋石油管道為中心線，即沿海洋石油管道橫向?qū)ΨQ的兩行縱向(UX向)等距排列的多個點稱為海床節(jié)點4，其中以每個海管節(jié)點6為中心等距相鄰的四個海床節(jié)點4構(gòu)成的面就是模擬的海床元素2a，海床元素2a構(gòu)成的面模擬為海床面2，也即是模擬的海床面2是由對應(yīng)海管的多個海床元素2a的集合，參見圖4。本發(fā)明中的末端彈簧元素定義如下參見圖1和圖4，在管道模型兩端各自接連一非線性彈簧元素，簡稱為末端彈簧元素3，引入末端彈簧元素主要是為了處理整個模型在邊界上的力與位移關(guān)系，保證整個模型在不同荷載條件下的力一位移平衡，引入末端彈簧元素后，只允許管道模型沿UX軸方向位移，固定其余各方向位移，UX方向位移將按公式[l]的力一位移關(guān)系進行計算。本發(fā)明建立的管道模型具備大變形及材料非線性的力學(xué)綜合模擬器特性，塑性直管元素(PIPE20元素)模擬做內(nèi)、外管道，外壓力和內(nèi)壓力連同溫度等荷載可直接應(yīng)用到管道元素中。本發(fā)明中加載的剩余鋪管張力是由管道鋪裝后產(chǎn)生的有效張力，計算時使用預(yù)定的剩余鋪管張力主要為了平衡由操作中帶來的管道軸壓力，從而獲得一個經(jīng)適當(dāng)調(diào)整的管道軸合力。本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征是在有限元模擬平臺上進行分析測算，包括如下步驟(1)原始數(shù)據(jù)采集將預(yù)定的或者已建好的海洋石油管道的物理參數(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、錨固定狀況、作業(yè)狀態(tài)下內(nèi)管荷載數(shù)據(jù)輸入有限元模擬系統(tǒng)中；(2)整體內(nèi)外管管線浮力檢驗步驟分別進行檢驗外管浮力計算和檢驗內(nèi)管浮力計算，綜合外管及內(nèi)管的檢驗結(jié)果，檢驗發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)浮力過大，則退出整個計算，并對管道尺寸及材料進行更改；(3)以海洋石油管道為空置并平鋪在虛擬的完全水平的海床面上的狀態(tài)建立起海洋石油管道的計算機三維初始力學(xué)模型所述空置狀態(tài)即是指海洋石油管道無任何外力作用下的狀態(tài)。將所述海洋石油管道平鋪在虛擬的完全水平海床面上的具體方法是，根據(jù)已知的海洋石油管道外管兩端點的數(shù)據(jù)建立管道模型的兩個末端點，限制海洋石油管道外管兩端點的豎向(UZ向)、橫向(UY向)及縱向(UX向)的軸旋轉(zhuǎn)活動自由度，并且以該兩點連線構(gòu)成海洋石油管道模型的初始狀態(tài)，設(shè)定所有海床節(jié)點，建立完全水平的海床面，只允許海洋石油管道上述的兩個末端點各自連接的一個末端彈簧元素，允許所述末端點縱向(UX向)位移，固定末端彈簧元素的其余自由度，參見圖4;(4)用有限元素法計算內(nèi)管剩余鋪管張力造成的管道初始變形在步驟(3)的管道初始模型的基礎(chǔ)上，給內(nèi)管加載剩余鋪管張力，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道初始變形，參見圖5;(5)在步驟(4)的管道模型上，固定其中一個外管的末端彈簧元素的縱向(UX向)位移，按照已儲存的實際海床輪廓參數(shù)，來限制海洋石油管道兩端點及所有海床節(jié)點豎向(UZ向)位移位置以使海床元素符合實際的海床輪廓，在上述步驟(4)中獲得的海洋石油管道初始變形的形狀下重新加載剩余鋪管張力作用下，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道的進一步變形，參見圖6;(6)固定外管另一端的末端彈簧元素的縱向(UX向)位移，并固定管線的中間錨節(jié)點，參見圖3;基于步驟(5)中獲得的海洋石油管道變形形狀下，給內(nèi)外管道加載壓力荷載，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道的進一步變形，參見圖7;(7)在步驟(6)中獲得的海洋石油管道變形形狀下通過加載內(nèi)管受到的溫度作用力，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道的進一步變形，參見圖8;(8)在步驟(7)中獲得的海洋石油管道變形形狀下通過加載波浪水流荷載和土壤摩擦力，所述土壤摩擦力包括土壤慣性、推拉及提升力，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道的最終變形，參見圖9;(9)將計算所得的結(jié)果輸出。即根據(jù)線性或非線性要求，提取元素力、元素彎矩，元素應(yīng)力、彈性應(yīng)變、位移及旋轉(zhuǎn)的計算結(jié)果并輸出。本發(fā)明所述第(l)步驟中，所述海洋石油管道的物理參數(shù)至少包括海洋石油管道總長度，海管元素數(shù)量，海管節(jié)點以及海床節(jié)點數(shù)量，內(nèi)、外管參數(shù)；所述環(huán)境數(shù)據(jù)至少包括對應(yīng)整條管線每個節(jié)點的壓力數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及對應(yīng)整條管線位置的實際海床輪廓數(shù)據(jù)，以及計算出來的最大/最小水深參數(shù)；所述土壤數(shù)據(jù)則計算海床土壤各項硬度參數(shù)。本發(fā)明中在邊界條件處理上，上述(4)(8)所有涉及管道受力而變形的計算中，海洋石油管道中的兩端變化都是通過在管道模型兩端連接的兩個非線性末端彈簧元素按以下力-位移關(guān)系公式來計算/=V2房忍A[1]f=海洋石油管道與位移相應(yīng)的ux彈力Y==海洋石油管道的楊氏模量M=海洋石油管道的橫截面積5=海床摩擦系數(shù)Z=海洋石油管道的掩埋質(zhì)量A=管道端結(jié)點的UX軸向位移本發(fā)明中步驟(6)中給內(nèi)外管道加載壓力荷載包括內(nèi)管中運輸物重量、內(nèi)管管壓、外管附著生物層重量和外管管壓荷載力；如模型邊界為全約束條件，還可能包括內(nèi)管受到的端蓋力和泊松作用力。如模型邊界為全約束條件，在應(yīng)用上述公式模擬管道端部彈性的力位移關(guān)系后還需一次性加入相應(yīng)的端部荷載力到管道兩端，這包括端蓋力、泊松作用力和端部溫度作用力，即本發(fā)明步驟(6)中出現(xiàn)的端蓋力和泊松作用力以及步驟(7)中的溫度作用力。端蓋力、泊松作用力和端部溫度作用力通過以下的公式計算丄,(&J,—《乂》M,/2w[2]LPLtK,KeMiMeMsJ'JewkVYsocA//=內(nèi)管受到的端蓋力=內(nèi)管受到的泊松作用力=內(nèi)管受到的溫度作用力=內(nèi)管受到的內(nèi)部壓力=內(nèi)管受到的外部壓力內(nèi)管內(nèi)橫截面面積內(nèi)管外橫截面面積內(nèi)管的橫截面面積內(nèi)管的內(nèi)直徑內(nèi)管的外直徑《2/4《/4(d>r/4=內(nèi)管的泊松比=內(nèi)管的楊氏模量=內(nèi)管的熱膨脹系數(shù)=內(nèi)管內(nèi)外溫差與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(1)在有限元模擬平臺上使用3維有限元(FE)自由懸跨的模擬管道力學(xué)模型，對海洋石油管道在預(yù)定及已建海床路線下的懸跨進行安全性分析測算，有效地提高了計算精度，荷載的多樣性及收斂能力。(2)通過本發(fā)明可以有效地分析海洋石油管道在海床上的懸空狀況，對其安全性做出較為準(zhǔn)確地判斷，從而為已建海洋石油管道的懸空高危部位補救處理提供重要依據(jù)，為設(shè)計階段的海洋石油管道的懸空高危部位及時采取措施防患于未然。(3)本發(fā)明利用計算機模擬管道的力學(xué)模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分析方法，提高了測算的準(zhǔn)確性，從而能夠以較低的成本降低海洋石油管道在建設(shè)及使用過程中的安全風(fēng)險，具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。圖l是本發(fā)明中管道模型、彈簧元素及海床面的組合示意圖；圖2是本發(fā)明中管道模型的坐標(biāo)圖，顯示管道模型的六個自由度；9圖3是本發(fā)明中管道模型和固定中間錨節(jié)點的俯視組合示意圖；圖4是本發(fā)明步驟(3)中管道模型處在空置狀態(tài)的模型結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明步驟(4)中管道模型初始變形的力學(xué)模型結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明步驟(5)中管道模型受力變形得到的力學(xué)模型示意圖；圖7是本發(fā)明步驟(6)中管道模型受力變形得到的力學(xué)模型示意圖；圖8是本發(fā)明步驟(7)中管道模型受力變形得到的力學(xué)模型示意圖；圖9是本發(fā)明步驟(8)中管道模型受力變形得到的力學(xué)模型示意圖；圖IO是本發(fā)明實施例的框圖。其中圖4—圖9中，虛線為海洋石油管道模型加載變形后形態(tài)。海洋石油管道l，外管ll，內(nèi)管13，泡沫層12;海床2，海床元素2a;末端彈簧元素3;海床節(jié)點4;中間錨節(jié)點5;海管節(jié)點6;海床彈簧元素具體實施例方式圖110所示的一種模擬石油管道的三維力學(xué)模型是本發(fā)明的實施例之一，本發(fā)明實施例中的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，在有限元模擬平臺上進行分析測算，每一步采用ANSYS軟件編程計算，其具體步驟如下1、原始數(shù)據(jù)釆集步驟；該原始數(shù)據(jù)包括以下數(shù)據(jù)輸入文件的輸入數(shù)據(jù)單位必須是一致的，因為分析程序里沒有內(nèi)置的核對。a、海洋石油管道物理參數(shù)包括該海洋石油管道物理參數(shù)包括海洋石油管道長度，海管元素數(shù)量，海管節(jié)點數(shù)量，海床節(jié)點數(shù)量，模擬海床表面寬度；外管參數(shù)外管的外徑，壁厚，外管的內(nèi)徑，外包層厚度，外包層密度，水泥層厚度，水泥層密度，內(nèi)外管中填充物密度，管鋼密度，管鋼的溫度擴張系數(shù)，管鋼的泊松比，管鋼的楊氏模量，管外附著生物層厚度，管外附著生物層密度，鋼的等級)內(nèi)管參數(shù)管的外直徑，壁厚，管的內(nèi)直徑，內(nèi)包層厚度，內(nèi)包層密度，管鋼密度,管鋼的溫度擴張系數(shù)，管鋼的泊松比，管鋼的楊氏模量，內(nèi)外管中填充泡沫的剪力強度，鋼的等級)；以長度為2500米管中管結(jié)構(gòu)海洋石油管道為例，采用ANSYS軟件解答如下設(shè)海管元素(內(nèi)管或外管)數(shù)量為gele=500個，每個海管元素長kxd=5米，設(shè)定在模型中海管元素節(jié)點數(shù)為simnd=gele+l=501個，海床元素節(jié)點為hcnd=gele+2=502個，并設(shè)定海床元素寬度為ydfl=60米。外管外直徑為od=0.559米，內(nèi)管外直徑為id=0.4064米，外管厚度為owt=0.0159米，內(nèi)管厚為iwt=0.0214米，外管內(nèi)直徑odi=od-2.0*owt,內(nèi)管內(nèi)直徑idi=id-2.0*iwt,外管外覆蓋層厚度oet=0.004m,內(nèi)管外覆蓋層厚度iet-0.004m,外管外覆蓋層密度Oep=1300kg/m3,內(nèi)管外覆蓋層密度iep=1300kg/m3,外管內(nèi)覆蓋層厚度oit=0.004m,內(nèi)管內(nèi)覆蓋層厚度iit=0.004m,外管內(nèi)覆蓋層密度oip=8140kg/m3,內(nèi)管內(nèi)覆蓋層密度iip=8140kg/m3,外管水泥層厚度oct=0.01m，內(nèi)管水泥層厚度ict=O.Om，外管水泥層密度ocp=2250kg/m3,內(nèi)管水泥層密度icp=2250kg/m3，外管道隔離層密度osp=110kg/m3,內(nèi)管道隔離層密度isp=0kg/m3,外管的鋼密度ostp=7850kg/m3，內(nèi)管的鋼密度istp=7850kg/m3,外管溫度膨脹系數(shù)ota-1.17e-5(l/degC),內(nèi)管溫度膨脹系數(shù)ita=1.12e-5(l/degC)，外管松柏比opoi=0.3，內(nèi)管松柏比ipoi=0.3,外管楊氏模量oyng=207e9(N/m2),內(nèi)管楊氏模量iyng=207e9(N/m2),外管附著生物層厚otm=0.01,外管附著生物層密度opm=250(Kg/m3)，管中管內(nèi)填泡沫剪力強度fm=0.2e6,外管鋼品選擇為(API5LX70)ostd=70,內(nèi)管鋼品選擇為(API5LX65)istd:65，重力zli:9.81，圓周率yzl=4*atan(1.0)b、環(huán)境數(shù)據(jù)包括該環(huán)境數(shù)據(jù)包括海水深度，海水密度，海水溫度，浪高，浪周期，沖擊管的浪角度，固定水流，水流測量的參考高度，海床粗糙度參數(shù)，沖擊管道固定水流角度，管外壓，波浪公式計算的設(shè)置循環(huán)數(shù)量，計算浪長度的收斂系數(shù)，慣性系數(shù)，上升系數(shù)，拖拉系數(shù)；海水深度wtdep=1000m,海水密度wtden=1025.0(kg/m3),海水常溫wttem=5.0(degC),浪高blh=22.3米，浪周期blp=15.2秒，浪沖擊管道的角度wvdeg=90.0(deg),固定水流速cvelo=0.35(m/sec),水流測量的參考高度chght=1.4(m),海床粗糙度參數(shù)rgh=le-5，沖擊管道固定水流角度jiaodu=90.0(deg),管外壓extyali=wtdep*zli*wtden(N/m3),波浪公式計算的設(shè)置循環(huán)數(shù)量itms=20,計算浪長度的收斂系數(shù)btolns=0.001,迭代循環(huán)中水力沖擊遞增角度phigxt=5，慣性系數(shù)cin=3.29,上提系數(shù)clii.9,拖拉系數(shù)cd產(chǎn)l.O。c、土壤數(shù)據(jù)；包括土壤種類，土壤密度，對應(yīng)內(nèi)部摩擦的土壤角度，無綁定土壤剪力強度，摩擦系數(shù)，豎向土壤硬度，切線土壤密度，泥土的初位移，土壤的允許移動距離；土壤種類tr-l(如果土壤屬于沙類tr=l，如果土壤屬于黏土類tr=2)，土壤密度tr一rd二0.35(只是土壤屬于沙類是有效)，對應(yīng)內(nèi)部摩擦的土壤角度tr_p=35(deg),無綁定土壤剪力強度tr—su=1400(N/m2)，土壤摩擦系數(shù)mocha=0.5，豎向土壤硬度yingm=19.0e6(N/m2),切線土壤密度yingk=l.le6(N/m2),泥土的初位移inim=0.001(m)，土壤的允許移動距離alhn=0.0075(m)。d、錨固定狀況；包括中置錨固定位置，包括錨固定總數(shù)，各錨之間間距；設(shè)有中置錨錨固定總數(shù)n—mao=4，使用*dim,mao_p,army，20,l去讀取各錨之間間距mao_p(l,1)=100,200,300,400,500,600,700,800，900,1000mao_p(11，1)=1100，1200,1300,1400,1500,1600,1700,1800,1900,2000e、作業(yè)狀態(tài)下內(nèi)管荷載數(shù)據(jù)；包括作業(yè)狀態(tài)下內(nèi)壓，剩余鋪管張力，作業(yè)狀態(tài)下溫度；操作狀態(tài)下內(nèi)管內(nèi)壁壓力選項popt=0(p叩t0代表采用統(tǒng)一的內(nèi)管內(nèi)壁壓力,popt=l代表程序?qū)⒆x取一連串沿管線變化的內(nèi)壁壓力數(shù)據(jù))，內(nèi)管內(nèi)壁統(tǒng)一壓力intyali=500.0e3(N/M3)，剩余鋪管張力tenn=600.0e3(N),操作狀態(tài)下內(nèi)管內(nèi)壁溫度選項topt-O.O(topt二O.O代表采用統(tǒng)一的內(nèi)管內(nèi)壁溫度，topt=l代表程序?qū)⒆x取一連串沿管線變化的內(nèi)壁溫度數(shù)據(jù)),opwd^lOCC攝氏度,操作狀態(tài)下統(tǒng)一內(nèi)壁溫度)。f、讀入對應(yīng)整條管線每個節(jié)點的內(nèi)管內(nèi)壁壓力數(shù)據(jù)；操作狀態(tài)下內(nèi)管內(nèi)壁壓力選項popt:O,代表采用統(tǒng)一的內(nèi)管內(nèi)壁壓力，所以整條管線將采用統(tǒng)一的內(nèi)管內(nèi)壁壓力opyali(mm,l)—ntyali;否則，pc3pt^,讀入內(nèi)管內(nèi)壁壓力文件賦值opyali(simnd,l)。g、讀入對應(yīng)整條管線每個節(jié)點的內(nèi)管內(nèi)壁溫度數(shù)據(jù)；操作狀態(tài)下內(nèi)管內(nèi)壁溫度選項topt-O.O，代表采用統(tǒng)一的內(nèi)管內(nèi)壁溫度，所以整條管線將采用統(tǒng)一的內(nèi)管內(nèi)壁溫度wdv(mm,l"opwd;否則，topt^，讀入內(nèi)管內(nèi)壁溫度文件賦值wdv(simnd,l)。h、讀入對應(yīng)整條管線每個節(jié)點的海床數(shù)據(jù)；由用戶提供真實的海底測量數(shù)據(jù)文件。模型釆用"點一面"接觸單元用于模擬海床作用力，模擬的海床元素由兩行沿管道橫向?qū)ΨQ的縱向(UX向)等距排列的每兩個海床節(jié)點，共四個海床節(jié)點所構(gòu)成。海床節(jié)點左端作為第一個節(jié)點，右端作為最后一個節(jié)點；每列沿線方向的海底節(jié)點數(shù)一倍多于管道節(jié)點數(shù)。在模型里，假設(shè)兩列海床節(jié)點的豎向UZ(即海床深度)相等，文件僅需要提供一組對應(yīng)于每個海床節(jié)點的海床深度作為海床元素垂直坐標(biāo)UZ初始賦值。讀入海床數(shù)據(jù)文件賦值cod(simnd,l)。i、建立最大/最小水深；通過從1到hcnd迭代，找到海床的最大/最小海深:ZDSS和ZXSSj、計算內(nèi)外管參數(shù)；包括有效管直徑，橫切面面積；外管有效管直徑為oef=od+2*(oet+oct),外管橫切面面積oca=yzl*(od**2-odi**2)/4，內(nèi)管有效管直徑為iefHd+2*(iet+ict)，內(nèi)管橫切面面積ica=yzl*(id**2-idi**2)/4,外內(nèi)管總橫切面為fca=oca+icak、計算海床土壤硬度參數(shù)；豎向土壤硬度trst=yingm*sele，切線土壤密度s—tang=yingk*sele2、整體內(nèi)外管管線浮力檢驗步驟；開始檢驗外管浮力計算除去外管內(nèi)覆蓋層厚度的外管內(nèi)直徑odit=0di-2*oit外管內(nèi)覆蓋層質(zhì)量zwnc=yzl*(odi**2-odit**2)*oip/4外管鋼部分的質(zhì)量zwg二yzl氣od"2-odi"2"ostp/4外管鋼部分的橫切面面積mwg=yzl*(od**2-odi**2)/4外管外覆蓋層質(zhì)量zwf=yzl*((od+2*oet)**2-od**2)*oep/4外管道隔離層質(zhì)量zw卜yzl氣odit"2-oef^2)+osp/4外管水泥層質(zhì)量zws=yzl*((od+2*oet+2*oct)**2-(od+2*oet)**2)*ocp/4外管附著生物層質(zhì)量zswg=yzl*((od+2*oet+2*oct+2*otm)**2陽(od+2*oet+2*oct)**2)/4*opm夕卜管質(zhì)量總禾口zggc=zwnc+zwg+zwf+zwl+zws外管浮力質(zhì)量zfli=yzl*oeP*2*wtden/4外管淹沒質(zhì)量mym=zggc-zfli外管道隔離層重量wwl=zwl*zli外管附著生物層重量zhy=ZSWg*zli外管淹沒總重量zym=(mym*zli)+zhy等效密度dxmdl=mym/mwg如果dxmdl小于零dxmd1=0.0;開始檢驗內(nèi)管浮力計算除去內(nèi)管內(nèi)覆蓋層厚度的內(nèi)管內(nèi)直徑idit=idi-2*iit內(nèi)管內(nèi)覆蓋層質(zhì)量zniK^yzP(idi"2-idit"2)4ip/4內(nèi)管鋼部分的質(zhì)量zng二yz"(id"2-idi"2)"stp/4內(nèi)管鋼部分的橫切面面積mng=yzl*(id**2-idi**2)/4內(nèi)管外覆蓋層質(zhì)量znf=yzl*((id+2*iet)**2-id**2)*iep/4內(nèi)管道隔離層質(zhì)量zn卜yzP(idit"2-ief^2)^sp/413內(nèi)管水泥層質(zhì)量zns=yzl*((id+2*iet+2*ict)**2-(id+2*iet)**2)*icp/4內(nèi)管附著生物層質(zhì)量znwg=yzl*((id+2*iet+2*ict+2*itm)**2-(id+2*iet+2*ict)**2)/4*ipm內(nèi)管質(zhì)量總禾口zngc=znnc+zng+znf+znl+zns內(nèi)管浮力質(zhì)量zfln=yzl*ieP*2*wtden/4內(nèi)管淹沒質(zhì)量myn=zngc-zfln內(nèi)管道隔離層重量nWl=znl*Zli內(nèi)管附著生物層重量zny=zsng*zli內(nèi)管淹沒總重量zyn=(myn*zli)+zny內(nèi)管等效密度dxmd2=myn/mng如果dxmd2小于零dxmd2=0.0;綜合外管及內(nèi)管的檢驗結(jié)果mymnKmym+myn)小于等于零，檢驗發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)浮力過大現(xiàn)象，退出整個計算，并對管道尺寸及材料進行更改。3、模型生成步驟；生成節(jié)點生成海洋石油管道節(jié)點*do，mn,l，simnd，ln,mn,(mn-l)*kxd,0.0，0.0n,(1000+mn)，(mn-l)*kxd,0.0,0.0*enddo生成海床節(jié)點n，2001,-kxd/2,-ydfl/2,0.0ngen,hcnd,1,2001，，1,kxdn,3001，-kxd/2，ydfl/2，0.0ngen，hcnd,1,3001,,1,kxd生成海床摩擦節(jié)點n,薩l，O.O,O.O,O.Ongen，simnd,1，10001，，1，kxd生成左端軸彈簧節(jié)點n,90000,-kxd,,0，生成右端軸彈簧節(jié)點(開始循環(huán))外管節(jié)點(在海床表面)內(nèi)管節(jié)點(在海床表面)(結(jié)束循環(huán))n,90001,simnd*kxd,,0生成元素首先確定模型為塑性非線性模擬a、元素定義模型是具備大變形及材料非線性的力學(xué)綜合模擬器。塑性直管元素(PIPE20元素)模擬做內(nèi)外管道。外壓力和內(nèi)壓力連同溫度等荷載可直接應(yīng)用到管道元素。通過ET,100，20選取管道元素PIPE20建立外管道，定義外管壁厚R，100,od,owt,定義外管道楊氏模量MP,EX,100,oyng,定義外管道鋼材密度MP,DENS,lOO,dxmdl,定義外管道鋼材的松泊比MP,NUXY,100，opoi，定義外管道鋼材的溫度擴展MP,ALPX,100,ota。通過ET,101，20選取管道元素PIPE20建立內(nèi)管道，定義內(nèi)管壁厚R，101,id,iwt,定義內(nèi)管道楊氏模量MP,EX,101,iyng,定義內(nèi)管道鋼材密度MP,DENS,100,dxmd2,定義內(nèi)管道鋼材的松泊比MP,NUXY,l00,ipoi,定義內(nèi)管道鋼材的溫度擴展MP,ALPX，100,ita。模型采用一個基于庫侖磨擦原理的3維'點-面'接觸磨擦元素CONTAC49構(gòu)成'海管-海床'模型，用于模擬'海管-海床'兩個表面的接觸、間隔和滑動的相互作用，意味著管道和海底表面的交互作用由接觸單元來聯(lián)系。因此，每個接觸單元對應(yīng)著一個交互作用的管道節(jié)點和海底表面區(qū)域。通過ET,200,49建立接觸元素CONTAC49，接觸硬度及接觸忍受值r,200，trst，s—tang，le-3,1,接觸元素摩擦mp,mu,200,mocha;舉例，管節(jié)點從1到501標(biāo)出，管單元從1到500標(biāo)出。通過ET,300,14建立彈簧抑制元素COMBIN14,并設(shè)定為非線性在UY軸有活動自由的彈簧抑制元素COMBIN14元素，硬度及抑制系數(shù)0.5*wtden*cdr*oef*kxd在管道模型兩端各自接連一非線性彈簧元素COMBIN39，簡稱為末端彈簧元素。引入末端彈簧元素主要是為了處理整個模型在邊界上的力與位移關(guān)系，保證整個模型在不同荷載條件下的力-位移平衡。通過ET,400,39,0，0，0建立只有UX軸自由度的非線性末端彈簧元素COMBIN39。通過ET,401,39,0,0,0建立只有UZ軸自由度的非線性彈簧元素COMBIN39做軸土壤磨擦，r,401，0.0,0.0,allml,(mymn*kxd*mocha),(100*allml),(mymn*kxd*mocha)通過ET,402，39，0,0，0建立只有UX自由度的非線性彈簧元素COMBIN39作為管中管泡沫硬度r,402,0.0,0.0,1.0,(fm*kxd)，設(shè)定軸方向的管中管泡沫硬度為yzl*iePfm*kxdb、元素生成生成外管元素type,100mat,100real,100EN,1,1,2*repeat，gele，l,l，l生成內(nèi)管元素type,101mat,lOlreal,lOlEN,麵,1001,1002*repeat，gele,1,1,1生成海床元素type,200mat,200real,200en,2001，2001，2002,3002,3001，1*repeat,simnd，1,1,1，1,1,1生成海床摩擦元素type,401real,401EN,IOOOU,10001*repeat,simnd,1,1,1生成管中管(外管節(jié)點與內(nèi)管節(jié)點之間)泡沫彈簧元素，用以模擬管中填充泡沫材料的物理上的特性。泡沫彈簧元素用以模擬管中管內(nèi)泡沫的UX軸向彈性變化。type,402real,402EN,20001,1,1001*repeat,simnd，1,1,1生成末端彈簧元素type,400real,400EN,卯000,90000,1EN,90001,卯001,simndc、邊界條件及公式通過按照實際尺寸位置生成節(jié)點，并以此生成相關(guān)管道元素，海床元素，接觸元素，最后通過邊界條件公式把模型以力學(xué)形式固定下來。通過使用以下端部的力位移條件公式，以更加實際的端部彈性固定形式把模擬管道及海床結(jié)構(gòu)組合模型確定下來。這個由添加一個非線性彈性單元到模型端部管結(jié)點來完成。這更加精確的表現(xiàn)出管道鄰近區(qū)域嵌入荷載段管道導(dǎo)致約束管道移動的張力效果。彈性端部的力一位移特性由以下數(shù)學(xué)公式表示。/=扭M5ZA[1]f=海洋石油管道與位移相應(yīng)的UX彈力Y=海洋石油管道的楊氏模量M=海洋石油管道的橫截面積5=海床摩擦系數(shù)Z=海洋石油管道的掩埋質(zhì)量A=管道端結(jié)點的UX軸向位移以代碼形式表示為*do,ndian，1,20,1(開始循環(huán))zf(ndian,l)=(2*oyng*fca*mocha*mymn*zad(ndian，l))**0.5*enddo(結(jié)束循環(huán))r,400,zad(1,1),zf(1,1)，zad(2，1),zf(2,1),zad(3,1),zf(3，1)畫re,zad(4,1),zf(4,1),zad(5,1),zf(5,1),zad(6,1),zf(6,1)畫re,zad(7,1),zf(7,1)，zad(8,1),zf(8,1),zad(9,1),zf(9,1)畫re,zad(10,1)，zf(10,1),zad(11,1),zf(11,1),zad(12,1),zf(12,1)rmore,zad(13,l)，zf(13，l)，zad(14，l)，zf(14,l),zad(15,l)，zf(15,1)腿re,zad(16,l),zf(16,l),zad(17,l)，zf(17，l),zad(18，l),zf(18,1)rmore,zad(l9,1),zf(19,1),zad(20,1)，zf(20,1)為保持模型在全約束條件下的力平衡，在應(yīng)用上述公式模擬管道端部彈性的力位移關(guān)系后還需一次性加入相應(yīng)的端部荷載力到管道兩端，這包括端蓋力、泊松作用力和端部溫度作用力。加載安排為端蓋力、泊松作用力在內(nèi)管加載壓力荷載階段步驟(5)中以端部荷載力形式加載；端部溫度作用力在內(nèi)管加載溫度荷載段階段步驟(6)中以端部荷載力形式加載。需注意這些端部荷載力僅在全約束狀態(tài)時應(yīng)用，也就是，加入模型邊界選擇參數(shù)efix，并設(shè)置為l。在efix設(shè)置為0時，這些荷載力在邊界部分約束狀態(tài)時不應(yīng)用。以下是計算這些荷載力的方程。丄,(《,W》乾/2v^[2]丄，=T^"A//[3]Ze=《M,-[4]=內(nèi)管受到的端蓋力=內(nèi)管受到的泊松作用力=內(nèi)管受到的溫度作用力=內(nèi)管受到的內(nèi)部壓力=內(nèi)管受到的外部壓力LeLpLtKiKeMiMeMsJiJeWkVYsaA//內(nèi)管內(nèi)橫截面面積內(nèi)管外橫截面面積內(nèi)管的橫截面面積內(nèi)管的內(nèi)直徑內(nèi)管的外直徑《/4《/4(Ce2-C,卞/4=內(nèi)管的泊松比=內(nèi)管的楊氏模量=內(nèi)管的熱膨脹系數(shù)=內(nèi)管內(nèi)外溫差其中以代碼形式表示端蓋力及柏松作用力為(作用力將出現(xiàn)在模型荷載解答過程中,參閱在4.c中的壓力引至縱向力加載中說明)Extyali1=cod(1,1)*zli*wtdenExtyali2=cod(simnd,1)*zli*wtdenfyalisl=ica*(opyali(l,l)*idi**2-Extyalil*id**2)/(id**2-idi**2)fyalis1=fyalis1+ica*ipoi*(Extyali1十opyali(l,1))/2-ica*ipoi*(opyali(l,1)*idi-Extyali1*id)/(2*iwt)fyalis2=ica*(opyali(gele，1)*idi**2-Extyali2*id**2)/(id**2-idi**2)fyalis2=fyalis2+ica*ipoi*(Extyali2+opyali(gele，1))/2-ica*ipoi*(opyali(gele，1)*idi-Extyali2*id)/(2*iwt)以代碼形式表示溫度作用力為(作用力將出現(xiàn)在模型荷載解答過程中，參閱在4.d中的溫度荷載加載中說明)wdv1=wdv(1,1)-wttemwdv2=wdv(nelem,l)-wttemf_wdl=iyng*ica*ita*(labl*wdvl/tlssl)f—wd2=iyng*ica*ita*(labl*wdv2/tlssl)4、采用自動牛頓-拉夫遜方法解答靜態(tài)塑性大變形行為步驟；選擇靜態(tài)、大變形行為、自動牛頓-拉夫遜方法作為解答模型的標(biāo)準(zhǔn)。采用ANSYS軟件解答如下荷載分步及解答參數(shù)設(shè)定計算剩余鋪管張力的總步長tlSS0=5，計算剩余鋪管張力的子步長slss(^5，計算海床豎向變化的總步長tlss2二5，計算海床豎向變化的子步長slss2=5,計算壓力荷載的總步長tlss3=3，計算壓力荷載的子步長slss3=5，計算溫度總步長tlssl=20，使用*dim,slss,array，50,l對計算溫度的子步長進行設(shè)定slss(l，l)=5,5,5,5,5,10,10,10,10,10slss(ll,l)=IO,IO,IO,IO,IO,IO，IO，IO,IO，IOslss(21，l)=20，20，20,20,20，20,20，20，20，20slss(,l)=20，20,20,20,20，20,20,20,20,20slss(41,l)=20,20,20,20,20,20,20,20,20,20計算波浪荷載總步長tlss4=5，計算波浪荷載子步長slss4=5，位移的收斂參數(shù)utor=0.01，力的收斂參數(shù)fto產(chǎn)l，旋轉(zhuǎn)的收斂參數(shù)rtor=l，彎矩的收斂參數(shù)mtor-l，最大允許循環(huán)數(shù)itrnk=200,起初海床嵌入位置，加載橫向荷載開始及結(jié)束節(jié)點，使用*dim，zad,array，20,l設(shè)置末端的彈簧固定zad(l,l)=0.0，5e-5,le-4，5e-4,7,5e-4,le-3,2.5e-3,5e-3,7.5e-3,le-2zad(ll,l)=0.025，0.05,0.075,0.1,0.15,0.2，0.25，0.3,1.0,5.0自動步長zidsp^(l表示選取，0表示放棄)，線尋lsrch^(l表示選取，0表示放棄)，應(yīng)力硬化s—ying=0(1表示選取，0表示放棄)，解答控制solc=0(1表示選取，O表示放棄)。定義位移，力，旋轉(zhuǎn)和力矩的收斂系數(shù)cnvtol,u,，(utor/100)cnvtol,f,，(ftor/則)ctivtol,rot,，(rtor/100)cnvtol,m，加tor/100)建立各位移數(shù)組*dim,uxo，array，simnd，1(舊ux軸位移數(shù)組)*dim,uyo,array,simnd,1(舊uy軸位移數(shù)組)*dim,uzo,array,simnd,1(舊uz軸位移數(shù)組)*dim,wy_z,array,simnd,1(累計uz軸位移)*dim，wy—x，array，simnd，(累計ux軸位移)*dim,status，array,simnd,2(管道節(jié)點位置數(shù)組)*dim,xkgd，array，simnd，1(懸跨高度管道節(jié)點)初始化所有數(shù)組歸零*do,mm,l,simnd，l(開始循環(huán))uyo(mm，l)=0.0uxo(mm,l)=0.0uzo(mm,l)=0.0wy—z(mm,l)=0,0wy—x(mm，1)=0.0xkgd(mm,l)=0.0status(mm，1)=mm^enddo(結(jié)束循環(huán))連接末端節(jié)點的ux，uy，uzcp，next,ux，l，lOOlcp,next,uy,l,lOOlcp，next,uz,l，lOOlcp，next,ux，simnd，(l000+simnd)cp,next,uy，simnd，(1000+simnd)cp,next,uz，simnd，(l000+simnd)沿管線連接管道的uy，uz軸節(jié)點*do，mn,2,simnd-1，1(開始循環(huán))cp，next,uy,mn,(1000+mn)20cp,next,uz,mn,(l000+mn)*enddo(結(jié)束循環(huán))a、如圖4所示，首先把海洋石油管道1設(shè)置為空置狀態(tài)，該空置狀態(tài)即無任何外力作用下的狀態(tài)，將海洋石油管道1平鋪在虛擬的完全水平海床面2上，限制海洋石油管道外管兩端點的豎向(UZ向)、橫向(UY向)及縱向(UX向)的軸旋轉(zhuǎn)活動自由度，并限制所有海床節(jié)點4,只允許與海洋石油管道1兩端相連的末端彈簧元素3縱向(UX向)位移，固定末端彈簧元素3的其余自由度；得到的模型如圖4所示。然后在內(nèi)管13加載剩余鋪管張力作用下計算在水平海床面上空置狀態(tài)下海洋石油管道的初始變形。步驟(a)中的端部彈性力位移關(guān)系邊界條件均通過公式[I]計算;計算得到的結(jié)果如圖5所示。采用ANSYS軟件解答限制外管末端除橫向，豎向及縱向位移其他活動自由d,l,allddele,l,uzddele，l，uxddele,l,uyd,simnd,allddele,simnd,uzddele,simnd，uxddele,simnd，uy限制所有海床節(jié)點d,10001,all,，,(10000+hcnd),1限制末端彈簧元素除ux軸外所有自由d,90000,a11d,90001,a11ddde,90000,uxddele,90001，ux加載剩余鋪管張力到內(nèi)管當(dāng)中f,1001,fx,-lab1*tenn/tlssOf,(1000+simnd)，fx,lab1*tenn/tlssO在已輸入的邊界條件及荷載條件下，計算整個模型結(jié)構(gòu)在達(dá)到力學(xué)平衡后海洋石油管道的初始變形，將計算獲得的ux,uy,uz賦值到舊ux,uy,uz數(shù)組，并計算各位置的懸跨高度*do,mm,l，simnd,l(開始循環(huán))uyo(mm,1)=uy(mm)uxo(mm，1)=ux(mm)uzo(mm,1)=uz(mm)status(mm，2)=0.0xkl=uz(2000+mm)xk2=uz(2000+mm+l)xk3=uz(3000+mm)xk4=uz(3000+mm+l)xkgd(mm,l)=uz(mm)-0.25*(xkl+xk2+xk3+xk4)*enddo(結(jié)束循環(huán))b、加入外管11起始端的末端彈簧元素3的縱向(UX向)位移固定，按照輸入的實際海床輪廓，限制海洋石油管道兩端點及所有海床節(jié)點豎向(UZ向)位移位置以符合實際海床輪廓，在步驟(a)中獲得的海洋石油管道初始變形形狀下重新加載剩余鋪管張力后計算海洋石油管道的進一步變形。步驟(b)中的端部彈性力位移關(guān)系邊界條件均通過公式[l]計算；計算得到的結(jié)果如圖6所示。采用ANSYS軟件解答如下固定左端彈簧連接的縱向位移d，卯000,ux,ux(90000)加載剩余鋪管張力到內(nèi)管當(dāng)中*do,labl,l,tlss2,l(開始循環(huán))time,1—last+lablnsubst,slss2，,，onf，訓(xùn)l,fx,-tennf,(1000+simnd),fx,tenn*enddo(結(jié)束循環(huán))限制海床元素節(jié)點的uz軸位移為最大海深與海床深度之間差值*do,mn,l,hcnd,l(開始循環(huán))d,(10000+mn),uz,labl*(zdss-cod(mn,l))/tlss2*enddo(結(jié)束循環(huán))22限制海洋石油管道末端彈簧元素的UZ軸位移為最大海深與海床深度之間差值d，90000,uz，labl*(zdss-cod(l，l))/tlss2d,90001,uz，labl*(zdss-cod(hcnd,l))/tlss2在已有邊界及荷載條件及新加入海床環(huán)境下，計算模型結(jié)構(gòu)在達(dá)到新的力學(xué)平衡后海洋石油管道的進一步變形，將計算獲得的ux,uy,uz賦值到舊ux,uy,uz數(shù)組，并計算各位置的懸跨高度*do，mm,l，simnd,l(開始循環(huán))uyo(mm,1)=uy(mm)uxo(mm,1)=ux(mm)uzo(mm,1)=uz(mm)status(mm,2)=0.0xkl=uz(2000+mm)xk2=uz(2000+mm+l)xk3=uz(3000+mm)xk4=uz(3000+mm+l)xkgd(mm,1)=uz(mm)-0.25*(xkl+xk2+xk3+xk4)*enddo(結(jié)束循環(huán))c、加入外管11的末端彈簧元素3的縱向(UX向)位移固定，并固定中間錨節(jié)點5，基于步驟(b)中獲得的海洋石油管道變形形狀下，加載內(nèi)管13受到的端蓋力、泊松作用力、內(nèi)管中運輸物重、內(nèi)管壓、外管附著生物層重和外管壓荷載力作用下計算海洋石油管道的進一步變形，其中外管壓荷載力為管道所處的海深、海水密度及重力相乘之積。該步驟中的端部彈性力位移關(guān)系邊界條件均通過公式[1]計算，其中組成壓力引至縱向力的端蓋力和泊松作用力荷載通過公式[2]和[4]來計算；所述的中間錨節(jié)點5如圖3所示，計算得到的結(jié)果如圖7所示。采用ANSYS軟件解答如下限制末端彈簧連接的縱向位移d,90000,ux,ux(1)d,90001,ux，ux(90001)計算內(nèi)管組成壓力引至縱向力的端蓋力和泊松作用力荷載Extyali1=cod(1,1)*zli*wtdenExtyali2=cod(simnd,1)*zli*wtdenfyalisl=ica*(opyali(l,l)*idi"2-ExtyaUl*id**2)/(id**2-idi**2)fyalis1=fyalis1+ica*ipoi*(Extyali1十opyali(1,1))/2-ica*ipoi*(opyali(1,1)*idi-Extyali1*id)/(2*iwt)fyalis2=ica*(opyali(gele，l)*idi**2-Extyali2*id**2)/(id**2-idi**2)fyaIis2=fyalis2+ica*ipoi*(ExtyaIi2+opyali(gele,l))/2-ica*ipoi*(opyali(geIe，l)*idi-Extyali2*id)/(2*iwt)執(zhí)行步長*do,labl,l,tlss3,l(開始循環(huán))nsubst，slss3，，，on*enddo(結(jié)束循環(huán))按設(shè)置中置錨位置給予ux，uy，uz位移固定*do,mn,l,n-mao，l(開始循環(huán))d,nint((maoj)(mn，1)/kxd)+1),uxd,nint((mao_p(mn,1)/kxd)+1)，uyd,nint((maoj)(mn,1)/kxd)+1),uz，-inim*enddo(結(jié)束循環(huán))加載海水壓力，操作壓力及剩余鋪管張力到內(nèi)管當(dāng)中f,1001，6c,(lab1*fyalis1/tlss3-tenn)f,(1000+simnd),fic,(term-Iabl*fyalis2/tlss3)加載內(nèi)容物壓力，管內(nèi)壓力到內(nèi)管*do,mm,l,gele,l(開始循環(huán))sfe，(1000+mm)，4，pres,,-nwl(內(nèi)容物壓加載到uz方向)sfe,(1000+mm),l,pres，,labl*opyali(mm，l)/tlss3(管內(nèi)壓力直接加載到元素內(nèi)表面)*enddo(結(jié)束循環(huán))加載生物附著層壓力，海水壓力到外管esel,，type,，lOOsfe,all,4,pres,，-zhy(生物附著層壓力加載到uz方向)sfe,all,5,pres，，labl*extyali/tlss3(海水壓力直接加載到元素外表面)在已有邊界和海床條件，及新加入的荷載環(huán)境下，計算整個模型結(jié)構(gòu)達(dá)到新的力學(xué)平衡后海洋石油管道的進一步變形，將計算獲得的ux,uy,uz賦值到舊ux,uy,uz數(shù)組，并計算各位置的懸跨高度*do,mm,l,simnd，l(開始循環(huán))uyo(mm，1)=uy(mm)uxo(mm,1):ux(mm)uzo(mm,1)=uz(mm)status(mm，2)=0■0xkl=uz(2000+mm)xk2=uz(2000+mm+l)xk3=uz(3000+mm)xk4=uz(3000+mm+l)xkgd(mm，1)=uz(mm)-0.25*(xkl+xk2+xk3+xk4)*enddo(結(jié)束循環(huán))d、在步驟(c)中獲得的海洋石油管道變形形狀下通過加載由內(nèi)管13受到的溫度荷載引致的縱向力，計算海洋石油管道的進一步變形。該步驟中的端部彈性力位移關(guān)系邊界條件均通過公式[1]計算，由溫度荷載引致的縱向力荷載通過公式[3]來計算；計算得到的結(jié)果如圖8所示。采用ANSYS軟件解答如下加載溫度引出的軸力荷載到全限制管線*do,labl，l,tlssl,l(開始循環(huán))time，(l一last+labl)nsubst,slss(lab1,1)，,，onf—wdl=iyng*ica*ita*((labl*wdv(l，l)/tlssl)-wttem)f_wd2=iyng*ica*ita*((labl*wdv(gele,l)/tlssl)-wttem)*enddo(結(jié)束循環(huán))加載溫度引出的軸力，海水壓力，操作壓力及剩余鋪管張力到內(nèi)管當(dāng)中f,1001，fx,(f_wdl+fyalisl-tenn)f,(1000+simnd),fk，(-f一wd2-fyalis2+tenn)加載溫度溫度到內(nèi)管元素中*do,mm,l，gele,l(開始循環(huán))bfe，(1000+mm),temp,1，(lab1*wdv(mm,1)/tlss1)*enddo(結(jié)束循環(huán))在已有邊界和海床條件，及新加入的荷載環(huán)境下，計算整個模型結(jié)構(gòu)達(dá)到新的力學(xué)平衡后海洋石油管道的進一步變形，將計算獲得的ux,uy,uz賦值到舊ux，uy,uz數(shù)組，并計算各位置的懸跨高度*do,mm,l，simnd,l(開始循環(huán))uyo(mm,1)=uy(mm)uxo(mm,1)=ux(mm)uzo(mm，1)=uz(mm)status(mm,2)=0.0xkl=uz(2000+mm)xk2=uz(2000+mm+l)xk3=uz(3000+mm)xk4=uz(3000+mm+l)xkgd(mm，1)=uz(mm)-0.25*(xkl+xk2+xk3+xk4)*enddo(結(jié)束循環(huán))e、在步驟(d)中獲得的海洋石油管道變形形狀下通過加載波浪水流荷載和土壤摩擦力，計算海洋石油管道的最終變形，其中，土壤摩擦力包括土壤慣性、推拉及提升力。該步驟中的端部彈性力位移關(guān)系邊界條件均通過公式[1]計算；計算得到的結(jié)果如圖9所示。采用ANSYS軟件解答如下計算有效的平均固定水流速度us=cveIo/(log(chght/rgh+l))us=us*((1+rgh/oef)*log(oef/rgh+1)-1)計算波浪參數(shù)bl_a=(zli*(blp**2))/(2*yzl)bl—b=2.*yzl*wtdepbio=bl一a計算浪長*do,jj，l,itrns,l(開始循環(huán))bl=bl_a*tanh(bl—b/wlo)bltor=abs((bl-blo)/bl)blo=bl*enddo(結(jié)束循環(huán))檢査浪長計算cck=0*if，bltor，lt，(btolns/lOO),thencck=l*endif假如cck小于等于0，就輸出信息"在程序輸入數(shù)據(jù)中加大itrns或者減小btolns"輸出錯誤信息"波浪長度計算沒有收斂"計算最大波浪速度和加速度ftis=0.0*do,phi,0.0,360,phigxt(開始循環(huán))bljsd=sin(yzl*phi/180)*sin(yzl*wvdeg/180)*((yzl**2)*blh*2/((blp**2)*sinh(2*yzl*wtdep/wl)))blsd=cos(yzl*phi/180)*sin(yzl*wvdeg/180)*(yzl*blh/(blp*sinh(2*yzl*wtdep/wl)》計算聯(lián)合波浪及水流水力荷載fgxO=(wtden*yzl*cin*bljsd*(oef**2))/4fsplO=f—tuiO+fgxOftisO=(((us*sin(yzl*jiaodu/180)+blsd)**2)*cli*wtden*oef)/2f—tuiO=abs(us*sin(yzl*jiaodu/l80)+blsd)*(us*sin(yzl*jiaodu/l80)+blsd)f—tuiO=(cd"wtden傘oePf—tui0)/2假如fsplO的絕對值大于0，然后phimax=phif—tui=f—tuiOfgx=fgxOfspl=fsplOftis=ftisO*enddo(結(jié)束循環(huán))限制外管uy軸上的位移d，l,uy,uy(l)d,simnd，uy,uy(simnd)加載溫度引出的軸力，海水壓力，操作壓力及剩余鋪管張力到內(nèi)管當(dāng)中27*do,labl,l,tlss4,l(開始循環(huán))time，(l」ast+labl)nsubst,slss4,，，onf,1001,fx,(f一wdl+fyalisl國tenn)f,(1000+simnd),fx,(國f一wd2-fyalis2+tenn)*enddo(結(jié)束循環(huán))加載拖拉，慣性及上提力*do,mm,l,simnd，l(開始循環(huán))f,mm,fz,labl*ftis*kxd/tlss4(應(yīng)用上提力)f,mm,fy,labl*fspl*kxd/tlss4(應(yīng)用聯(lián)合拖拉及慣性力)*enddo(結(jié)束循環(huán))在已有邊界和海床條件，及新加入的荷載環(huán)境下，計算整個模型結(jié)構(gòu)達(dá)到新的力學(xué)平衡后海洋石油管道的最終變形，將計算獲得的ux,uy,uz賦值到舊ux，uy，uz數(shù)組，并計算各位置的懸跨高度*do,mm，l，simnd,l(開始循環(huán))uyo(mm,1)=uy(mm)uxo(mm，1)=ux(mm)uzo(mm,1)=uz(mm)status(mm,2)=0.0xkl=uz(2000+mm)xk2=uz(2000+mm+l)xk3=uz(3000+mm;>xk4=uz(3000+mm+l)xkgd(mm,l)=uz(mm)-0.25*(xkl+xk2+xk3+xk4)*enddo(結(jié)束循環(huán))5、后執(zhí)行處理步驟根據(jù)線性或非線性要求，提取元素力、元素彎矩，元素應(yīng)力、彈性應(yīng)變、位移及旋轉(zhuǎn)的計算結(jié)果并輸出。采用ANSYS軟件解答如下選擇所有外管及內(nèi)管元素為提取的目標(biāo)元素，使用ETABLE命令輸出所有PIPE20兩個節(jié)點的UX，UY，UZ軸力和力矩，etable,mfor—x_l,smisc，1LCS坐標(biāo)中單元UX向第i個結(jié)點的荷載力etable，mfor—y1，smisc,2etable，mfor—z—1，smisc,3etable,mfor—X—2,smisc,7etable，mfor—y—2，smisc，8etable，mfor_z—2,smisc，9etable,mmom一x一l,smisc，4etable,mmom—y—1，smisc,5etable,mmom一z—1，smisc，6etsble，mmom一x一2，smisc，10etable，mmom—y—2，smisc,11etable,mmom—z—2,smisc，12LCS坐標(biāo)中單元UY向第i個結(jié)點的荷載力LCS坐標(biāo)中單元UZ向第i個結(jié)點的荷載力LCS坐標(biāo)中單元UX向第j個結(jié)點的荷載力LCS坐標(biāo)中單元UY向第j個結(jié)點的荷載力LCS坐標(biāo)中單元UZ向第j個結(jié)點的荷載力LCS坐標(biāo)中單元UX向第i個結(jié)點的力矩LCS坐標(biāo)中單元UY向第i個結(jié)點的力矩LCS坐標(biāo)中單元UZ向第i個結(jié)點的力矩LCS坐標(biāo)中單元UX向第j個結(jié)點的力矩LCS坐標(biāo)中單元UY向第j個結(jié)點的力矩LCS坐標(biāo)中單元UZ向第j個結(jié)點的力矩UX,UY和UZ術(shù)語分別代表管結(jié)點的軸向，橫向和垂向及其方向之位移。ROTX,ROTY和ROTZ術(shù)語分別表示關(guān)于X軸，Y軸和Z軸的結(jié)點旋轉(zhuǎn)。結(jié)果由笛卡爾坐標(biāo)系(GCCS)給出用戶需注意這些旋轉(zhuǎn)和垂直和水平面內(nèi)初始直結(jié)構(gòu)管相關(guān)，不是平放的管結(jié)構(gòu)。元素外部角度0'C處溫度，etable,wdl，lbfe，4管單元第i節(jié)點的溫度etable,wd2，lbfe,12管單元第j節(jié)點的溫度環(huán)繞管道四個方向軸位移和等效應(yīng)力etable,s一ax0,Is,1管單元在3點鐘(右端)位置的軸應(yīng)力etable，s一axl80,ls,17管單元在9點鐘(左端)位置的軸應(yīng)力etable，s一ax90,ls,9管單元在12點鐘(頂部)位置的軸應(yīng)力etable,s一ax270,ls,25管單元在6點鐘(底部)位置的軸應(yīng)力etable,eq0,nmisc,5管單元在3點鐘(右端)位置的等效應(yīng)力etable,eql80,nmisc,25管單元在9點鐘(左端)位置的等效應(yīng)力etable，eq90,nmisc,15管單元在12點鐘(頂部)位置的等效應(yīng)力etable,eq270,nmisc,35管單元在6點鐘(底部)位置的等效應(yīng)力管單元第i個節(jié)點的直接應(yīng)力元素外部角度o'c處的軸應(yīng)力和外表面最大彎曲應(yīng)力etable,sdir—1,smisc,13管單元第i個etable,s—dir—2,smisc,15管單元第j個節(jié)點的直接應(yīng)力etable,sbendj,nmisc,81管單元第i個節(jié)點的彎曲應(yīng)力etable，sbend—2,nmisc,83管單元第j個節(jié)點的彎曲應(yīng)力環(huán)繞管道四個方向軸，環(huán)繞應(yīng)變，等效塑性應(yīng)變etable,eelh—0,lepel,3管單元在3點鐘位置(右端)的彈性環(huán)繞應(yīng)變etable,eelh—卯，lepel，11管單元在9點鐘位置(左端)的彈性環(huán)繞應(yīng)變etable,eelh—180，l印el,19管單元在12點鐘位置(頂部)的彈性環(huán)繞應(yīng)變etable,eelh—270,lepel,27管單元在6點鐘位置(底部)的彈性環(huán)繞應(yīng)變etable，e—el—0,lepel,1管單元在3點鐘位置(右端)的彈性縱向應(yīng)變etable,e_el—90,lepel,9管單元在9點鐘位置(左端)的彈性縱向應(yīng)變etable，e—el—180,lepel,17管單元在12點鐘位置(頂部)的彈性縱向應(yīng)變etable,e_el_270，lepel,25管單元在6點鐘位置(底部)的彈性縱向應(yīng)變etable,eqpl一O，nlin,4管單元在3點鐘位置(右端)的相當(dāng)彈性應(yīng)變etable,eqpl90,nlin,12管單元在9點鐘位置(左端)的相當(dāng)彈性應(yīng)變etable,eqpl—180,nlin，20管單元在12點鐘位置(頂部)的相當(dāng)彈性應(yīng)變etable,eqpl_270,nlin,28管單元在6點鐘位置(底部)的相當(dāng)彈性應(yīng)變同理提取:eplh一O:管單元在3點鐘位置(右端)的塑性環(huán)繞應(yīng)變eplh_90:管單元在9點鐘位置(左端)的塑性環(huán)繞應(yīng)變eplh_180:管單元在12點鐘位置(頂部)的塑性環(huán)繞應(yīng)變eplh—270:管單元在6點鐘位置(底部)的塑性環(huán)繞應(yīng)變e_pl—0:管單元在3點鐘位置(右端)的塑性縱向應(yīng)變e_pl_90:管單元在9點鐘位置(左端)的塑性縱向應(yīng)變e_pl—180:管單元在12點鐘位置(頂部)的塑性縱向應(yīng)變e_pl—270:管單元在6點鐘位置(底部)的彈性縱向應(yīng)變eqpl—0:管單元在3點鐘位置(右端)的相當(dāng)塑性應(yīng)變eqpl一90:管單元在9點鐘位置(右端)的相當(dāng)塑性應(yīng)變eqpl—180:管單元在12點鐘位置(頂部)的相當(dāng)塑性應(yīng)變eqpl—270:管單元在6點鐘位置(底部)的相當(dāng)塑性應(yīng)變?nèi)缓笫褂胹max及smin找尋ETABLE各結(jié)果提取數(shù)組中最低值，并輸出。模型最終從管道元素uz值及海床數(shù)據(jù)之間差值計算出管道的懸空高度，及從懸空部分某點與上一個管道元素貼地位置的對應(yīng)距離計算為懸跨長度。有關(guān)懸跨及應(yīng)力數(shù)據(jù)將用于制作海洋石油管道項目的懸跨安全評估。30權(quán)利要求1、海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征是在有限元模擬平臺上進行分析測算，包括如下步驟(1)原始數(shù)據(jù)采集(2)整體內(nèi)外管管線浮力檢驗步驟(3)以海洋石油管道為空置并平鋪在虛擬的完全水平的海床面上的狀態(tài)建立起海洋石油管道的計算機三維初始力學(xué)模型(4)用有限元素法計算內(nèi)管剩余鋪管張力造成的管道初始變形在步驟(3)的管道初始模型的基礎(chǔ)上，給內(nèi)管加載剩余鋪管張力，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道初始變形；(5)在步驟(4)的管道模型上，固定其中一個外管的末端彈簧元素的縱向(UX向)位移，按照已儲存的實際海床輪廓參數(shù)，來限制海洋石油管道兩端點及所有海床節(jié)點豎向(UZ向)位移位置以使海床元素符合實際的海床輪廓，在上述步驟(4)中獲得的海洋石油管道初始變形的形狀下重新加載剩余鋪管張力作用下，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道的進一步變形；(6)固定外管另一端的末端彈簧元素的縱向(UX向)位移，并固定管線的中間錨節(jié)點；基于步驟(5)中獲得的海洋石油管道變形形狀下，給內(nèi)外管道加載壓力荷載，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道的進一步變形；(7)在步驟(6)中獲得的海洋石油管道變形形狀下通過加載內(nèi)管受到的溫度作用力，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道的進一步變形；(8)在步驟(7)中獲得的海洋石油管道變形形狀下通過加載波浪水流荷載和土壤摩擦力，所述土壤摩擦力包括土壤慣性、推拉及提升力，在有限元平臺上計算有限元模型在新的力作用下新的力平衡，及在新的力平衡狀態(tài)下的海洋石油管道的最終變形；(9)將計算所得的結(jié)果輸出。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征在于所述第(l)步驟原始數(shù)據(jù)采集是指將預(yù)定的或者已建好的海洋石油管道的物理參數(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、錨固定狀況、作業(yè)狀態(tài)下內(nèi)管荷載數(shù)據(jù)輸入有限元模擬系統(tǒng)中。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征在于所述海洋石油管道的物理參數(shù)包括海洋石油管道總長度，海管元素數(shù)量，海管節(jié)點以及海床節(jié)點數(shù)量，內(nèi)、外管參數(shù)；所述環(huán)境數(shù)據(jù)包括對應(yīng)整條管線每個節(jié)點的壓力數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及對應(yīng)整條管線位置的實際海床輪廓數(shù)據(jù)，以及計算出來的最大/最小水深參數(shù)；所述土壤數(shù)據(jù)則計算海床土壤各項硬度參數(shù)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征在于所述步驟(2)整體內(nèi)外管管線浮力檢驗步驟是指分別進行檢驗外管浮力計算和檢驗內(nèi)管浮力計算，綜合外管及內(nèi)管的檢驗結(jié)果，檢驗發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)浮力過大，則退出整個計算，并對管道尺寸及材料進行更改。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征在于所述步驟(3)中，所述空置狀態(tài)即是指海洋石油管道無任何外力作用下的狀態(tài)，將所述海洋石油管道平鋪在虛擬的完全水平海床面上的具體方法是，根據(jù)己知的海洋石油管道外管兩端點的數(shù)據(jù)建立管道模型的兩個末端點，限制海洋石油管道外管兩端點的豎向(UZ向)、橫向(UY向)及縱向(UX向)的軸旋轉(zhuǎn)活動自由度，并且以該兩點連線構(gòu)成海洋石油管道模型的初始狀態(tài)，設(shè)定所有海床節(jié)點，建立完全水平的海床面，只允許海洋石油管道上述的兩個末端點各自連接的一個末端彈簧元素，允許所述末端點縱向(ux向)位移，固定末端彈簧元素的其余自由度。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征在于上述步驟(4)(8)所有涉及管道受力而變形的計算中，海洋石油管道中的兩端變化都是通過在管道模型兩端連接的兩個非線性末端彈簧元素按以下力-位移關(guān)系公式來計算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>[1]f=海洋石油管道與位移相應(yīng)的ux彈力Y=海洋石油管道的楊氏模量M=海洋石油管道的橫截面積^=海床摩擦系數(shù)Z=海洋石油管道的掩埋質(zhì)量△=管道端結(jié)點的UX軸向位移7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征在于上述步驟(6)中所述的給內(nèi)外管道所加載壓力荷載包括內(nèi)管中運輸物重量、內(nèi)管管壓、外管附著生物層重量和外管管壓荷載力。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，其特征在于本發(fā)明在步驟(6)中，內(nèi)管受到的壓力荷載包括端蓋力和泊松作用力，所述端蓋力和泊松作用力以及步驟(7)中的溫度作用力通過以下的公式計算i:,^,,-^^)^^^[2]丄，=;r,風(fēng).aA//[3]4=《風(fēng)-^風(fēng)[4]=內(nèi)管受到的端蓋力Lp=內(nèi)管受到的泊松作用力Lt=內(nèi)管受到的溫度作用力Ki=內(nèi)管受到的內(nèi)部壓力Ke=內(nèi)管受到的外部壓力Mi=內(nèi)管內(nèi)橫截面面積=力Me=內(nèi)管外橫截面面積=力Ms=內(nèi)管的橫截面面積=(<Ji=內(nèi)管的內(nèi)直徑Je=內(nèi)管的外直徑wk=內(nèi)管管壁厚度V=內(nèi)管的泊松比Ys=內(nèi)管的楊氏模量a=內(nèi)管的熱膨脹系數(shù)A//=內(nèi)管內(nèi)外溫差全文摘要本發(fā)明提供了一種對海床上石油管道懸跨安全性的分析測算方法，在有限元模擬平臺上進行分析測算，包括原始數(shù)據(jù)采集步驟、整體內(nèi)外管管線浮力檢驗步驟、以海洋石油管道為空置并平鋪在虛擬的完全水平的海床面上的狀態(tài)建立起海洋石油管道的計算機三維初始力學(xué)模型、用有限元素法計算內(nèi)管剩余鋪管張力造成的管道初始變形以及在內(nèi)、外管上逐步加載壓力荷載、溫度作用力等載荷，從而獲得海洋石油管道的最終變形，并將計算所得的結(jié)果輸出。本發(fā)明的分析測算方法可以為海床上石油管道在預(yù)定海床路線下可能出現(xiàn)影響安全的嚴(yán)重懸跨路段進行設(shè)計修正，也可以為已建海床路線下可能出現(xiàn)影響安全的嚴(yán)重懸跨路段進行補救處理提供依據(jù)。文檔編號G06F17/50GK101561839SQ20091020380公開日2009年10月21日申請日期2009年5月13日優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日發(fā)明者趙汝江申請人:趙汝江