基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103714207 A (43)申请公布日 2014.04.09 CN 103714207 A (21)申请号 201310718680.6 (22)申请日 2013.12.17 G06F 17/50(2006.01) (71)申请人天津大学地址 300072 天津市南开区卫津路 92 号 (72)发明人刘润郭绍曾熊昊 (74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201 代理人杜文茹 (54) 发明名称基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法 (57) 摘要一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法：根据。

2、管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS，计算管线特征屈曲模态；根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS，重新建立用于动态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷；采用显示动力法分析管线的动态整体屈曲过程：在 ABAQUS 软件的 INTERACTION 模块中建立管线与海底土体表面的接触关系；在 ABAQUS 软件的 LOAD 模块中施加温度荷载与内压荷载；采用显示动力分析步 Dynamic-Explicit 模拟管线的动态屈曲整体过程。本发明有效的模拟细长的海底管线结构；避免应力集中，同时通过叠加引入管线的诸多模态可达到模拟真实高阶。

3、模态初始缺陷的目标。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页说明书 5 页附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图4页 (10)申请公布号 CN 103714207 A CN 103714207 A 1/2 页 2 1. 一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，包括如下阶段： 1）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS，计算管线特征屈曲模态； 2）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS，重新建立用于动态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷； 3）采用显。

4、示动力法分析管线的动态整体屈曲过程，包括如下步骤：（1）在 ABAQUS 软件的 INTERACTION 模块中建立管线与海底土体表面的接触关系；（2）在 ABAQUS 软件的 LOAD 模块中施加温度荷载与内压荷载；（3）采用显示动力分析步 Dynamic-Explicit 模拟管线的动态屈曲整体过程。 2. 根据权利要求 1 所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段 1）所述的计算管线特征屈曲模态，包括如下步骤：（1）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS 的 PART 模块建立海底管线的三维实体单元模型；（。

5、2）根据管线的物理力学参数应用有限元软件 ABAQUS 的 MATERIAL 模块赋予管线的材料属性；（3）应用有限元软件 ABAQUS 的 MESH 模块划分步骤（1）得到的三维实体单元模型的网格；（4）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块建立步骤（1）得到的三维实体单元模型的边界条件；（5）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块对步骤（1）得到的三维实体单元模型施加温度荷载；（6）设置有限元软件 ABAQUS 的 STEP 模块中的分析步类型为 Buckle，通过 Buckle 计算管线 1 20 阶特征屈曲模态；。

6、（7）在有限元软件 ABAQUS 的关键词编辑器中 *Restart 语句后面添加 *Nodefile 语句，计算完成后，检查输出文件是否有管线模型的输出结果文件名 .Fil 文件。 3. 根据权利要求 1 所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段 2）包括如下步骤：（1）应用有限元软件ABAQUS的PART模块，根据管线的几何参数建立海底管线的三维实体单元模型，根据海底土体的几何参数建立海底土体的三维实体单元模型；（2）应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块，根据管线的物理力学参数赋予管线的材料属性，根据海底土体。

7、的物理力学参数赋予海底土体的材料属性；（3）应用有限元软件 ABAQUS 的 MESH 模块划分步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的网格，新建的海底管线的三维实体单元模型网格必须与阶段 1）中的三维实体单元模型的网格完全一致；（4）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块建立步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的边界条件；（5）在有限元软件 ABAQUS 的关键词编辑器中 *Step 语句中添加 *Imperfection 语句。 4. 根据权利要求 3 所述的基于模态引入初始缺陷。

8、的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，所述的在有限元软件 ABAQUS 的关键词编辑器中 *Step 语句中添加权利要求书 CN 103714207 A 2 2/2 页 3 *Imperfection 语句的格式如下： *Imperfection， file=（Fil 文件名）， step=（Buckle 分析步名） 1， 1 2， 2 3， 3 n， n 其中 n 是引入模态的阶数， n是引入模态阶数对应的比例因子， n的取值在 0 1 之间， n 的取值建议在 1 10 之内。 5. 根据权利要求 1 所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，。

9、其特征在于，阶段 3）所述的在 ABAQUS 软件的 INTERACTION 模块中建立管线与海底土体表面的接触关系包括：法向接触行为选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海底土体的摩擦系数为 0.1 0.6。 6. 根据权利要求 1 所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段 3）所述的温度荷载选择 50 200。 7. 根据权利要求 1 所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段 3）所述的内压荷载选择 50MPa 100MPa。 8. 根据权利要求 1 所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线。

10、三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段 3）所述的模拟管线的动态屈曲整体过程具体是：设置有限元软件 ABAQUS 的 STEP 模块中的分析步类型为 Dynamic-Explicit，通过 Dynamic-Explicit 计算模拟管线的动态屈曲整体过程。权利要求书 CN 103714207 A 3 1/5 页 4 基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法技术领域 0001 本发明涉及一种管线整体屈曲三维动力模拟方法。特别是涉及一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法。背景技术 0002 为了满足生产工艺的要求，海底油气管线内部通常具有。

11、较高的输送压力和温度。而海底管线通常为无缝的钢质管线，在高压和高温的作用下管壁内部出现应力的累积，由于管线受到地基土的约束作用而无法完全自由变形释放应力，当累积的应力达到某一临界状态时，管线将发生整体屈曲。这种随机且不可控的整体屈曲是关系到海底管线运营安全的重大技术问题，也是海底管线设计中必须考虑的关键节点。 0003 通常海底管线在制造和铺设过程中，会具有初始缺陷，而具有初始缺陷的管线在高温高压联合作用下，更易发生整体屈曲。较大的整体屈曲一方面可能导致管线中的弯曲应力增长，接近或达到钢材的屈服强度，对管线的安全运营造成威胁；另一方面发生变形的管线容易受到。

12、渔业活动和船只航行的影响，增加安全隐患；此外，屈曲变形可能导致管线配重层、保温层结构遭到破坏甚至进水，影响管线的正常使用。 0004 开展海底管线在温压联合作用下的全尺寸室内试验和现场试验均有较大的难度，因此研发合适的数值模拟方法具有重要的意义。这一问题的难度体现在以下几个方面：一是研究的对象具有明显尺度特征即海底管线沿轴线方向的尺度远大于其截面尺度；二是合理的初始缺陷的引入使建立的几何模型具有反映管线真实情况的特征；三是采用可以捕捉管线在温压联合作用下变形动态发展的分析方法。发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现对具有初始缺陷海。

13、底管线在高温高压下发生整体屈曲动态过程数值模拟的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法。 0006 本发明所采用的技术方案是：一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，包括如下阶段： 0007 1）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS，计算管线特征屈曲模态； 0008 2）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS，重新建立用于动态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷； 0009 3）采用显示动力法分析管线的动态整体屈曲过程，包括如下步骤： 0010 （1）在 ABAQUS 软件的 INTERACTION 模块中建立。

14、管线与海底土体表面的接触关系； 0011 （2）在 ABAQUS 软件的 LOAD 模块中施加温度荷载与内压荷载； 0012 （3）采用显示动力分析步 Dynamic-Explicit 模拟管线的动态屈曲整体过程。 0013 阶段 1）所述的计算管线特征屈曲模态，包括如下步骤： 0014 （1）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS 的 PART 模块建立海底管线的三说明书 CN 103714207 A 4 2/5 页 5 维实体单元模型； 0015 （2）根据管线的物理力学参数应用有限元软件 ABAQUS 的 MATERIAL 模块赋予管线的材料属性；。

15、0016 （3）应用有限元软件 ABAQUS 的 MESH 模块划分步骤（1）得到的三维实体单元模型的网格； 0017 （4）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块建立步骤（1）得到的三维实体单元模型的边界条件； 0018 （5）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块对步骤（1）得到的三维实体单元模型施加温度荷载； 0019 （6）设置有限元软件 ABAQUS 的 STEP 模块中的分析步类型为 Buckle，通过 Buckle 计算管线 1 20 阶特征屈曲模态； 0020 （7）在有限元软件 ABAQUS 的关键词编辑器中 *Res。

16、tart 语句后面添加 *Nodefile 语句，计算完成后，检查输出文件是否有管线模型的输出结果文件名 .Fil 文件。 0021 阶段 2）包括如下步骤： 0022 （1）应用有限元软件ABAQUS的PART模块，根据管线的几何参数建立海底管线的三维实体单元模型，根据海底土体的几何参数建立海底土体的三维实体单元模型； 0023 （2）应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块，根据管线的物理力学参数赋予管线的材料属性，根据海底土体的物理力学参数赋予海底土体的材料属性； 0024 （3）应用有限元软件 ABAQUS 的 MESH 模块划分步骤（1）得到。

17、的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的网格，新建的海底管线的三维实体单元模型网格必须与阶段 1）中的三维实体单元模型的网格完全一致； 0025 （4）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块建立步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的边界条件； 0026 （5）在有限元软件 ABAQUS 的关键词编辑器中 *Step 语句中添加 *Imperfection 语句。 0027 所述的在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection 语句的格式如下： 0028 *Imperf。

18、ection， file=（Fil 文件名）， step=（Buckle 分析步名） 0029 1， 1 0030 2， 2 0031 3， 3 0032 0033 n， n 0034 其中n是引入模态的阶数， n是引入模态阶数对应的比例因子， n的取值在0 1 之间， n 的取值建议在 1 10 之内。 0035 阶段 3）所述的在 ABAQUS 软件的 INTERACTION 模块中建立管线与海底土体表面的接触关系包括：法向接触行为选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海底土体的摩擦系数为 0.1 0.6。 0036 阶段 3）所述的温度荷载选择 50 200。。

19、说明书 CN 103714207 A 5 3/5 页 6 0037 阶段 3）所述的内压荷载选择 50MPa 100MPa。 0038 阶段 3）所述的模拟管线的动态屈曲整体过程具体是：设置有限元软件 ABAQUS 的 STEP 模块中的分析步类型为 Dynamic-Explicit，通过 Dynamic-Explicit 计算模拟管线的动态屈曲整体过程。 0039 本发明的模态法引入初始缺陷的管线整体屈曲三维动力模拟方法，是基于概率理论的模态方法引入海底管线的初始缺陷，进而开展三维模型的显示动力数值分析，该方法可以有效的模拟细长的海底管线结构；并引入完全光滑的初。

20、始缺陷，避免应力集中，同时通过叠加引入管线的诸多模态可达到模拟真实高阶模态初始缺陷的目标；而且可以模拟管线在高温高压下的动态变化过程，对管线整体屈曲计算具有很好的收敛性，使得计算结果更能反映真实情况。附图说明 0040 图 1 是本发明方法的流程图； 0041 图 2 是管线屈曲模态分析模型图； 0042 图 3 是管线整体屈曲分析模型图； 0043 图 4 是不同温度荷载情况下管线沿轴向各点屈曲幅值变化； 0044 图 5 是不同温度荷载情况下管线沿轴向各点轴向应力。 0045 图中 0046 a ：三维实体管线部件 b ：三维实体单元海底土体部件具体实施方。

21、式 0047 下面结合实施例和附图对本发明的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法做出详细说明。 0048 本发明的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，提出了一种基于概率理论的海底管线初始缺陷的模态引入方法，以此为基础建立了三维实体单元显示动力模拟温压联合作用下的海底管线整体屈曲数值方法。本发明可以有效模拟海底管线的细长结构特点，可以较真实的还原海底管线初始缺陷形状，并可以实现对海底管线整体屈曲变形的动态模拟。 0049 基于概率理论的模态分析法引入海底管线的初始缺陷，利用大型通用有限元软件 ABAQUS 的三维显示动力方法分析模拟海底管线在高。

22、温高压下的动态整体屈曲变形过程，本发明的模态法引入初始缺陷的管线整体屈曲三维动力模拟方法包括如下三个阶段。 0050 1）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS，计算管线特征屈曲模态，包括如下步骤： 0051 （1）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS 的 PART 模块建立海底管线的三维实体单元模型； 0052 （2）根据管线的物理力学参数应用有限元软件 ABAQUS 的 MATERIAL 模块赋予管线的材料属性； 0053 （3）应用有限元软件 ABAQUS 的 MESH 模块划分步骤（1）得到的三维实体单元模型的网格；说明书 C。

23、N 103714207 A 6 4/5 页 7 0054 （4）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块建立步骤（1）得到的三维实体单元模型的边界条件； 0055 （5）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块对步骤（1）得到的三维实体单元模型施加温度荷载； 0056 （6）设置有限元软件 ABAQUS 的 STEP 模块中的分析步类型为 Buckle（特征值求解器），通过 Buckle 计算管线 1 20 阶特征屈曲模态； 0057 （7）在有限元软件 ABAQUS 的关键词编辑器中 *Restart 语句后面添加 *Nodefile 语句，。

24、计算完成后，检查输出文件是否有管线模型的 . 输出结果文件名 .Fil 文件； 0058 2）根据管线的几何参数应用有限元软件 ABAQUS，重新建立用于动态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷，包括如下步骤： 0059 （1）应用有限元软件ABAQUS的PART模块，根据管线的几何参数建立海底管线的三维实体单元模型，根据海底土体的几何参数建立海底土体的三维实体单元模型； 0060 （2）应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块，根据管线的物理力学参数赋予管线的材料属性，根据海底土体的物理力学参数赋予海底土体的材料属性； 0061 （3）应用有限元。

25、软件 ABAQUS 的 MESH 模块划分步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的网格，新建的海底管线的三维实体单元模型网格必须与阶段 1）中的三维实体单元模型的网格完全一致； 0062 （4）应用有限元软件 ABAQUS 的 LOAD 模块建立步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的边界条件； 0063 （5）在有限元软件 ABAQUS 的关键词编辑器中 *Step 语句中添加 *Imperfection 语句，格式如下： 0064 *Imperfection， file=（Fil 文件名），。

26、step=（Buckle 分析步名） 0065 1， 1 0066 2， 2 0067 3， 3 0068 0069 n， n 0070 其中n是引入模态的阶数， n是引入模态阶数对应的比例因子， n的取值在0 1 之间， n 的取值建议在 1 10 之内； 0071 3）采用显示动力法分析管线的动态整体屈曲过程，包括如下步骤： 0072 （1）在 ABAQUS 软件的 INTERACTION 模块中建立管线与海底土体表面的接触关系，其中法向接触行为建议选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海底土体的摩擦系数为 0.1 0.6 ； 0073 （2）在 ABAQUS 软。

27、件的 LOAD 模块中施加温度荷载与内压荷载，温度荷载选择 50 -200，内压荷载选择 50MPa-100MPa ； 0074 （3）采用显示动力分析步 Dynamic-Explicit 模拟管线的动态屈曲整体过程 0075 设置有限元软件 ABAQUS 的 STEP 模块中的分析步类型为 Dynamic-Explicit （显示动力求解器），通过 Dynamic-Explicit 计算模拟管线的动态屈曲整体过程。 0076 下面给出一个最佳实施例说明书 CN 103714207 A 7 5/5 页 8 0077 某工程位于我国渤海，采用钢管运输油气，温度荷载为 100。

28、、内压为 80MPa 管线与海底土体工程资料如表 1 与表 2 ： 0078 表 1 海底土体几何和物理力学参数 0079 0080 表 2 海底管线几何和物理力学参数 0081 0082 （1）进行管线屈曲模态分析 0083 首先建立模型 Model-1，创建三维实体单元管线部件 Part-1，如图 1 所示，总长 250m，截面尺寸与材料属性见表 2 ；建立 Buckle 分析步，选择子空间求解器，温差 100， 80MPa内压；在*Restart语句后添加*Nodefile语句；提交计算，最后检查工作目录下是否有 Job-1.fil 文件生成。 0084 。

29、（2）显示动力法分析管线整体屈曲 0085 新建模型 Model-2，创建三维实体单元管线部件 Part-1 与三维实体单元海底土体部件 Part-2，管线部件必须与 Model-1 一致，如图 2 所示。海底土体部件取 600m3m，截面尺寸与材料属性见表 1 与表 2 ；创建 Part-1 与 Part-2 的接触关系，摩擦系数取 0.4 ；创建 Step-1 用于动态整体屈曲分析，选取 Dynamic-Explicit 求解器，设置管线两端为固定约束并施加 100的温差与 80MPa 的内压；在 *Step 语句前添加 *Imperfection 语句：。

30、0086 *Imperfection， file=Job-1， step=1 0087 1， 0.15 0088 2， 0.1 0089 最后提交 Model-2 进行计算分析。 0090 （3）结果分析 0091 图 3 为不同温度荷载情况下管线沿轴向各点屈曲幅值变化情况，由图可得管线随温度升高的整个屈曲破坏过程；图 4 为不同温度荷载情况下管线沿轴向各点的轴向应力，由图可以看出管线各点轴向应力随着温度升高的整个变化过程。说明书 CN 103714207 A 8 1/4 页 9 图 1 说明书附图 CN 103714207 A 9 2/4 页 10 图 2 图 3 说明书附图 CN 103714207 A 10 3/4 页 11 图 4 说明书附图 CN 103714207 A 11 4/4 页 12 图 5 说明书附图 CN 103714207 A 12 。

摘要
申请专利号：	CN201310718680.6	申请日：	2013.12.17
公开号：	CN103714207A	公开日：	2014.04.09
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G06F 17/50申请公布日:20140409\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20131217\|\|\|公开
IPC分类号：	G06F17/50	主分类号：	G06F17/50
申请人：	天津大学
发明人：	刘润; 郭绍曾; 熊昊
地址：	300072 天津市南开区卫津路92号
优先权：
专利代理机构：	天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201	代理人：	杜文茹
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内容摘要

一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法：根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，计算管线特征屈曲模态；根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，重新建立用于动态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷；采用显示动力法分析管线的动态整体屈曲过程：在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系；在ABAQUS软件的LOAD模块中施加温度荷载与内压荷载；采用显示动力分析步Dynamic-Explicit模拟管线的动态屈曲整体过程。本发明有效的模拟细长的海底管线结构；避免应力集中，同时通过叠加引入管线的诸多模态可达到模拟真实高阶模态初始缺陷的目标。

权利要求书

权利要求书
1.  一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，包括如下阶段：
1）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，计算管线特征屈曲模态；
2）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，重新建立用于动态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷；
3）采用显示动力法分析管线的动态整体屈曲过程，包括如下步骤：
（1）在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系；
（2）在ABAQUS软件的LOAD模块中施加温度荷载与内压荷载；
（3）采用显示动力分析步Dynamic-Explicit模拟管线的动态屈曲整体过程。

2.  根据权利要求1所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段1）所述的计算管线特征屈曲模态，包括如下步骤：
（1）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS的PART模块建立海底管线的三维实体单元模型；
（2）根据管线的物理力学参数应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块赋予管线的材料属性；
（3）应用有限元软件ABAQUS的MESH模块划分步骤（1）得到的三维实体单元模型的网格；
（4）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块建立步骤（1）得到的三维实体单元模型的边界条件；
（5）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块对步骤（1）得到的三维实体单元模型施加温度荷载；
（6）设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Buckle，通过Buckle计算管线1～20阶特征屈曲模态；
（7）在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Restart语句后面添加*Nodefile语句，计算完成后，检查输出文件是否有管线模型的输出结果文件名.Fil文件。

3.  根据权利要求1所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段2）包括如下步骤：
（1）应用有限元软件ABAQUS的PART模块，根据管线的几何参数建立海底管线的三维实体单元模型，根据海底土体的几何参数建立海底土体的三维实体单元模型；
（2）应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块，根据管线的物理力学参数赋予管线的材料属性，根据海底土体的物理力学参数赋予海底土体的材料属性；
（3）应用有限元软件ABAQUS的MESH模块划分步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的网格，新建的海底管线的三维实体单元模型网格必须与阶段1）中的三维实体单元模型的网格完全一致；
（4）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块建立步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的边界条件；
（5）在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection语句。

4.  根据权利要求3所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，所述的在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection语句的格式如下：
*Imperfection，file=（Fil文件名），step=（Buckle分析步名）

1，  μ1

2，  μ2

3，  μ3
……
n，μn
其中n是引入模态的阶数，μn是引入模态阶数对应的比例因子，μn的取值在0～1之间，n的取值建议在1～10之内。

5.  根据权利要求1所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段3）所述的在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系包括：法向接触行为选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海底土体的摩擦系数为0.1～0.6。

6.  根据权利要求1所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段3）所述的温度荷载选择50℃～200℃。

7.  根据权利要求1所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段3）所述的内压荷载选择50MPa～100MPa。

8.  根据权利要求1所述的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，其特征在于，阶段3）所述的模拟管线的动态屈曲整体过程具体是：设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Dynamic-Explicit，通过Dynamic-Explicit计算模拟管线的动态屈曲整体过程。

说明书

说明书基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法
技术领域
本发明涉及一种管线整体屈曲三维动力模拟方法。特别是涉及一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法。
背景技术
为了满足生产工艺的要求，海底油气管线内部通常具有较高的输送压力和温度。而海底管线通常为无缝的钢质管线，在高压和高温的作用下管壁内部出现应力的累积，由于管线受到地基土的约束作用而无法完全自由变形释放应力，当累积的应力达到某一临界状态时，管线将发生整体屈曲。这种随机且不可控的整体屈曲是关系到海底管线运营安全的重大技术问题，也是海底管线设计中必须考虑的关键节点。
通常海底管线在制造和铺设过程中，会具有初始缺陷，而具有初始缺陷的管线在高温高压联合作用下，更易发生整体屈曲。较大的整体屈曲一方面可能导致管线中的弯曲应力增长，接近或达到钢材的屈服强度，对管线的安全运营造成威胁；另一方面发生变形的管线容易受到渔业活动和船只航行的影响，增加安全隐患；此外，屈曲变形可能导致管线配重层、保温层结构遭到破坏甚至进水，影响管线的正常使用。
开展海底管线在温压联合作用下的全尺寸室内试验和现场试验均有较大的难度，因此研发合适的数值模拟方法具有重要的意义。这一问题的难度体现在以下几个方面：一是研究的对象具有明显尺度特征即海底管线沿轴线方向的尺度远大于其截面尺度；二是合理的初始缺陷的引入使建立的几何模型具有反映管线真实情况的特征；三是采用可以捕捉管线在温压联合作用下变形动态发展的分析方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现对具有初始缺陷海底管线在高温高压下发生整体屈曲动态过程数值模拟的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，包括如下阶段：
1）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，计算管线特征屈曲模态；
2）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，重新建立用于动态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷；
3）采用显示动力法分析管线的动态整体屈曲过程，包括如下步骤：
（1）在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系；
（2）在ABAQUS软件的LOAD模块中施加温度荷载与内压荷载；
（3）采用显示动力分析步Dynamic-Explicit模拟管线的动态屈曲整体过程。
阶段1）所述的计算管线特征屈曲模态，包括如下步骤：
（1）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS的PART模块建立海底管线的三维实体单元模型；
（2）根据管线的物理力学参数应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块赋予管线的材料属性；
（3）应用有限元软件ABAQUS的MESH模块划分步骤（1）得到的三维实体单元模型的网格；
（4）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块建立步骤（1）得到的三维实体单元模型的边界条件；
（5）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块对步骤（1）得到的三维实体单元模型施加温度荷载；
（6）设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Buckle，通过Buckle计算管线1～20阶特征屈曲模态；
（7）在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Restart语句后面添加*Nodefile语句，计算完成后，检查输出文件是否有管线模型的输出结果文件名.Fil文件。
阶段2）包括如下步骤：
（1）应用有限元软件ABAQUS的PART模块，根据管线的几何参数建立海底管线的三维实体单元模型，根据海底土体的几何参数建立海底土体的三维实体单元模型；
（2）应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块，根据管线的物理力学参数赋予管线的材料属性，根据海底土体的物理力学参数赋予海底土体的材料属性；
（3）应用有限元软件ABAQUS的MESH模块划分步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的网格，新建的海底管线的三维实体单元模型网格必须与阶段1）中的三维实体单元模型的网格完全一致；
（4）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块建立步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的边界条件；
（5）在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection语句。
所述的在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection语句的格式如下：
*Imperfection，file=（Fil文件名），step=（Buckle分析步名）
1，μ1
2，μ2
3，μ3
……
n，μn
其中n是引入模态的阶数，μn是引入模态阶数对应的比例因子，μn的取值在0～1之间，n的取值建议在1～10之内。
阶段3）所述的在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系包括：法向接触行为选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海底土体的摩擦系数为0.1～0.6。
阶段3）所述的温度荷载选择50℃～200℃。
阶段3）所述的内压荷载选择50MPa～100MPa。
阶段3）所述的模拟管线的动态屈曲整体过程具体是：设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Dynamic-Explicit，通过Dynamic-Explicit计算模拟管线的动态屈曲整体过程。
本发明的模态法引入初始缺陷的管线整体屈曲三维动力模拟方法，是基于概率理论的模态方法引入海底管线的初始缺陷，进而开展三维模型的显示动力数值分析，该方法可以有效的模拟细长的海底管线结构；并引入完全光滑的初始缺陷，避免应力集中，同时通过叠加引入管线的诸多模态可达到模拟真实高阶模态初始缺陷的目标；而且可以模拟管线在高温高压下的动态变化过程，对管线整体屈曲计算具有很好的收敛性，使得计算结果更能反映真实情况。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是管线屈曲模态分析模型图；
图3是管线整体屈曲分析模型图；
图4是不同温度荷载情况下管线沿轴向各点屈曲幅值变化；
图5是不同温度荷载情况下管线沿轴向各点轴向应力。
图中
a：三维实体管线部件 b：三维实体单元海底土体部件
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法做出详细说明。
本发明的基于模态引入初始缺陷的海底管线三维动力数值模拟方法，提出了一种基于概率理论的海底管线初始缺陷的模态引入方法，以此为基础建立了三维实体单元显示动力模拟温压联合作用下的海底管线整体屈曲数值方法。本发明可以有效模拟海底管线的细长结构特点，可以较真实的还原海底管线初始缺陷形状，并可以实现对海底管线整体屈曲变形的动态模拟。
基于概率理论的模态分析法引入海底管线的初始缺陷，利用大型通用有限元软件ABAQUS的三维显示动力方法分析模拟海底管线在高温高压下的动态整体屈曲变形过程，本发明的模态法引入初始缺陷的管线整体屈曲三维动力模拟方法包括如下三个阶段。
1）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，计算管线特征屈曲模态，包括如下步骤：
（1）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS的PART模块建立海底管线的三维实体单元模型；
（2）根据管线的物理力学参数应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块赋予管线的材料属性；
（3）应用有限元软件ABAQUS的MESH模块划分步骤（1）得到的三维实体单元模型的网格；
（4）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块建立步骤（1）得到的三维实体单元模型的边界条件；
（5）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块对步骤（1）得到的三维实体单元模型施加温度荷载；
（6）设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Buckle（特征值求解器），通过Buckle计算管线1～20阶特征屈曲模态；
（7）在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Restart语句后面添加*Nodefile语句，计算完成后，检查输出文件是否有管线模型的.输出结果文件名.Fil文件；
2）根据管线的几何参数应用有限元软件ABAQUS，重新建立用于动态屈曲分析的模型，并引入管线的初始缺陷，包括如下步骤：
（1）应用有限元软件ABAQUS的PART模块，根据管线的几何参数建立海底管线的三维实体单元模型，根据海底土体的几何参数建立海底土体的三维实体单元模型；
（2）应用有限元软件ABAQUS的MATERIAL模块，根据管线的物理力学参数赋予管线的材料属性，根据海底土体的物理力学参数赋予海底土体的材料属性；
（3）应用有限元软件ABAQUS的MESH模块划分步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的网格，新建的海底管线的三维实体单元模型网格必须与阶段1）中的三维实体单元模型的网格完全一致；
（4）应用有限元软件ABAQUS的LOAD模块建立步骤（1）得到的海底管线的三维实体单元模型和海底土体的三维实体单元模型的边界条件；
（5）在有限元软件ABAQUS的关键词编辑器中*Step语句中添加*Imperfection语句，格式如下：
*Imperfection，file=（Fil文件名），step=（Buckle分析步名）
1，μ1
2，μ2
3，μ3
……
n，μn
其中n是引入模态的阶数，μn是引入模态阶数对应的比例因子，μn的取值在0～1之间，n的取值建议在1～10之内；
3）采用显示动力法分析管线的动态整体屈曲过程，包括如下步骤：
（1）在ABAQUS软件的INTERACTION模块中建立管线与海底土体表面的接触关系，其中法向接触行为建议选择硬接触，切向接触行为选择罚函数，输入管线与海底土体的摩擦系数为0.1～0.6；
（2）在ABAQUS软件的LOAD模块中施加温度荷载与内压荷载，温度荷载选择50℃-200℃，内压荷载选择50MPa-100MPa；
（3）采用显示动力分析步Dynamic-Explicit模拟管线的动态屈曲整体过程
设置有限元软件ABAQUS的STEP模块中的分析步类型为Dynamic-Explicit（显示动力求解器），通过Dynamic-Explicit计算模拟管线的动态屈曲整体过程。
下面给出一个最佳实施例
某工程位于我国渤海，采用钢管运输油气，温度荷载为100℃、内压为80MPa管线与海底土体工程资料如表1与表2：
表1海底土体几何和物理力学参数

表2海底管线几何和物理力学参数

（1）进行管线屈曲模态分析
首先建立模型Model-1，创建三维实体单元管线部件Part-1，如图1所示，总长250m，截面尺寸与材料属性见表2；建立Buckle分析步，选择子空间求解器，温差100℃，80MPa内压；在*Restart语句后添加*Nodefile语句；提交计算，最后检查工作目录下是否有Job-1.fil文件生成。
（2）显示动力法分析管线整体屈曲
新建模型Model-2，创建三维实体单元管线部件Part-1与三维实体单元海底土体部件Part-2，管线部件必须与Model-1一致，如图2所示。海底土体部件取600m×3m，截面尺寸与材料属性见表1与表2；创建Part-1与Part-2的接触关系，摩擦系数取0.4；创建Step-1用于动态整体屈曲分析，选取Dynamic-Explicit求解器，设置管线两端为固定约束并施加100℃的温差与80MPa的内压；在*Step语句前添加*Imperfection语句：
*Imperfection，file=Job-1，step=1
1，0.15
2，0.1
最后提交Model-2进行计算分析。
（3）结果分析
图3为不同温度荷载情况下管线沿轴向各点屈曲幅值变化情况，由图可得管线随温度升高的整个屈曲破坏过程；图4为不同温度荷载情况下管线沿轴向各点的轴向应力，由图可以看出管线各点轴向应力随着温度升高的整个变化过程。