一種j型鋪管作業(yè)模型建模仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋪管作業(yè)領(lǐng)域，尤其涉及一種J型鋪管作業(yè)模型建模仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用J型鋪管作業(yè)模擬器進(jìn)行實(shí)際工程前的培訓(xùn)，可以大大提高鋪管作業(yè)的工作 效率，提前預(yù)報(bào)及避免風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，并且還可以對(duì)極限工況進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證鋪 管船的鋪設(shè)能力。然而J型鋪管數(shù)學(xué)模型是建立J型鋪管作業(yè)模擬器必不可少的，其建模 仿真方法也由于解算速度的嚴(yán)格要求使得難度大大提升。
[0003]J型管道在鋪設(shè)中的變形實(shí)際上是大繞度、非線性、彈性形變，屬于幾何非線性的 范疇。目前J型鋪管模型建模常用的方法主要有自然懸鏈線法、鋼懸鏈線法、奇異攝動(dòng)法、 有限差分法、非線性有限元法等。這些方法在求解精度、求解時(shí)間及實(shí)用范圍上存在各自的 局限性。自然懸鏈線法、鋼懸鏈線法和奇異攝動(dòng)法僅適用于管道的靜態(tài)分析計(jì)算，不能夠準(zhǔn) 確的計(jì)算由于船舶加速度及海洋環(huán)境引起的動(dòng)態(tài)外力。有限差分法和非線性有限元法雖然 能夠計(jì)算動(dòng)態(tài)外力，但由于解算方法的限制，使得計(jì)算效率大大降低，不能夠滿足實(shí)時(shí)仿真 的要求?，F(xiàn)在比較常用的管道分析計(jì)算軟件Riflex、Offpipe和Orcaflex，它們均基于有 限元法對(duì)管道的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行比較準(zhǔn)確的分析，然而由于采用有限元法的限制不能 用于需要實(shí)時(shí)仿真J型鋪管作業(yè)模擬器中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種具有快速性、準(zhǔn)確性，并且可用于實(shí)時(shí)仿真的，J型鋪管 作業(yè)模型建模仿真方法。
[0005] -種J型鋪管作業(yè)模型建模仿真方法，包括以下幾個(gè)步驟，
[0006]步驟一：基于集中質(zhì)量法建立J型鋪管模型；
[0007] 步驟二：建立J型管道內(nèi)力模型；
[0008] 步驟三：建立J型管道外力模型；
[0009]步驟四：結(jié)合邊界條件建立鋪管船運(yùn)動(dòng)對(duì)J型管道的動(dòng)力影響模型。
[0010] 本發(fā)明一種J型鋪管作業(yè)模型建模仿真方法，還可以包括：
[0011] 1、基于集中質(zhì)量法建立J型鋪管模型的方法為：
[0012] 將管道分為n份n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，將質(zhì)量及作用力集中在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn) 動(dòng)與受力進(jìn)行求解，節(jié)點(diǎn)i的受力包括：慣性力<、第i節(jié)點(diǎn)的內(nèi)張力巧、內(nèi)部阻尼力K以 及拖曳力S，第i+1節(jié)點(diǎn)的內(nèi)張力if1、內(nèi)部阻尼力以及拖曳力€+1，浮力S，重力W，第i節(jié)點(diǎn)受力平衡方程為：
[0014]當(dāng)每單元管道質(zhì)量為m時(shí)，第i節(jié)的慣性力為
[0016] 其中質(zhì)量矩陣
，第i節(jié)點(diǎn)加速度分解為
，其中文表 示為水平方向的加速度，&表示為垂直方向的加速度。
[0017] 2、管道內(nèi)力包括管道內(nèi)張力和管道內(nèi)部阻尼力，
[0018] 第i節(jié)點(diǎn)內(nèi)張力為：
[0020] 其中，拉為第i節(jié)點(diǎn)沿著水平方向內(nèi)張力，盡為第i節(jié)點(diǎn)沿著垂直方向內(nèi)張力， 為離散管道單元長(zhǎng)度，巾內(nèi)張力與水平方向的夾角，Xi，^分別為第i節(jié)點(diǎn)水平方向 與垂直方向位移，Xg，2^分別為第i-1節(jié)點(diǎn)水平方向與垂直方向位移，Ke為彈簧系數(shù)，
[0022] 其中，心管道橫截面積，E為楊氏模量，
[0023] 第i節(jié)點(diǎn)內(nèi)部阻尼為：
[0025] 其中，<為第i節(jié)點(diǎn)沿著水平方向內(nèi)部阻尼，/^為第i節(jié)點(diǎn)沿著垂直方向內(nèi)部阻 尼，Cv為內(nèi)部阻尼系數(shù)。
[0026] 3、管道外力包括：拖曳力、管道重力和浮力，
[0027] 第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的拖曳力：
[0029] 為沿著管道方向的拖曳力，為垂直管道方向的拖曳力，PWS海水的密度，d 為管
[0030] 道的直徑，F(xiàn)/為沿著管道方向的相對(duì)速度，G為垂直管道方向的相對(duì)速度，
[0032] (：〇，(；,1為沿著管道和垂直管道方向的拖曳力系數(shù)，(^/(,^〇為固定坐標(biāo)系下海 流的橫向速
[0033] 度和豎直速度，
[0034] 第i節(jié)點(diǎn)的浮力和重力為：
[0036] 其中：Pp管道的密度，ve每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)管道的體積，g為重力加速度，m為每個(gè)單 元節(jié)點(diǎn)管道的質(zhì)量。
[0037] 4、邊界條件為：
[0038] 節(jié)點(diǎn)0為管道在托管架的脫離點(diǎn)，與托管架具有相同的位移、速度和加速度，在海 底面節(jié)點(diǎn)n的垂向位移為水深，橫向位移為0、速度和加速度都為0 ;且任意節(jié)點(diǎn)的垂向位移 都小于水深。
[0039] 有益效果：
[0040] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：（1)可以進(jìn)行J型管道的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué) 分析仿真；（2)能夠考慮船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)管道的形狀和應(yīng)力的影響；（3)具有仿真快速準(zhǔn)確性的 特點(diǎn)，可以用于實(shí)時(shí)仿真；(4)數(shù)學(xué)模型預(yù)留了與模擬操作系統(tǒng)的接口，可以方便的應(yīng)用在 J型操作模擬器中；（5)能夠快速指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工人員施工，對(duì)海洋工程中管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)人員 提供良好的參考。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1是本發(fā)明J型鋪管作業(yè)示意圖；
[0042]圖2是本發(fā)明管道集中質(zhì)量轉(zhuǎn)化道模型圖；
[0043]圖3是本發(fā)明第i節(jié)點(diǎn)受力仿真分析圖；
[0044]圖4是本發(fā)明管道靜力仿真分析圖；圖4(a)為管道形態(tài)仿真圖；圖4(b)為節(jié)點(diǎn)張 力仿真圖；
[0045] 圖5是本發(fā)明鋪管船在托管架端點(diǎn)出運(yùn)動(dòng)時(shí)歷圖；圖5(a)為水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)歷 圖；圖5(b)為垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)歷圖；
[0046]圖6是本發(fā)明管道動(dòng)力分析圖；圖6(a)為管道形態(tài)仿真圖；圖6(b)為節(jié)點(diǎn)張力仿 真圖；
[0047]圖7是實(shí)施例中管道具體參數(shù)表。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0049]本發(fā)明一種J型鋪管作業(yè)模型建模仿真方法，采用集中質(zhì)量法對(duì)J型管道進(jìn)行離 散，以鋪管船運(yùn)動(dòng)與海底為邊界條件，在考慮海流環(huán)境對(duì)管道影響以及管道的伸縮性情況 下建立J型管道模型，從而實(shí)現(xiàn)能夠準(zhǔn)確的對(duì)管道進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，且仿真速度上可 以滿足J型鋪管作業(yè)模擬器的實(shí)時(shí)仿真要求的建模方法，其仿真結(jié)果夠快速指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工 人員施工，以及對(duì)海洋工程中J型管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)人員提供良好的參考。
[0050]本發(fā)明的目的是提供一種J型鋪管作業(yè)模型建模仿真方法，主要用于J型鋪管作 業(yè)模擬器中管道實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)的提供，仿真結(jié)果快速指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工人員施工以及對(duì)海 洋工程中管道鋪設(shè)設(shè)計(jì)人員提供良好的參考。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案： 一種J型鋪管作業(yè)模型建模仿真方法，采用集中質(zhì)量法對(duì)J型管道進(jìn)行離散，以鋪管船運(yùn)動(dòng) 與海底為邊界條件，在考慮海流環(huán)境對(duì)管道影響以及管道的伸縮性情況下建立J型管道模 型，從而實(shí)現(xiàn)能夠準(zhǔn)確的對(duì)管道進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，且仿真速度上可以滿足J型鋪管作 業(yè)模擬器的實(shí)時(shí)仿真要求的建模方法。
[0051] -種J型鋪管作業(yè)模型建模仿真方法，步驟如下：
[0052] 第一步，建模方法基于集中質(zhì)量法建立J型鋪管模型，將管道分為n份n+1個(gè)節(jié) 點(diǎn)，將質(zhì)量及作用力集中在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，利用解析方法進(jìn)行仿真求解。
[0053] 步驟一利用解析方法對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與受力進(jìn)行求解的方法如下：
[0054]a)建立J型管道離散模型及坐標(biāo)系，將管道分為n份n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，將質(zhì)量及作用力 集中在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，如圖2所示：固定坐標(biāo)系：坐標(biāo)軸ox在水平面內(nèi)，指向東為正，坐標(biāo)軸 〇z向下，原點(diǎn)海底面的第n個(gè)節(jié)點(diǎn)x= 0,如圖2所示。
[0055] b)建立管道微分方程，節(jié)點(diǎn)i的受力分析如圖3所示，節(jié)點(diǎn)i的受力包括：慣性 力<、第i節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)內(nèi)張力戽、內(nèi)部阻尼力g以及拖曳力第i+1節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)內(nèi)張力 片+1、內(nèi)部阻尼力F/+1以及拖曳力〇+1，浮力Fj，重力W。由此第i節(jié)點(diǎn)受力平衡方程為：
[0057] 慣性力
[0058] 設(shè)每單元管道質(zhì)量為m，則第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的慣性力S表示為：
[0060] 其中質(zhì)量矩陣
:
[0061] 第i節(jié)點(diǎn)加速度分解為：
，其中^表示為水平方向的加速度，為表 示為垂直方向的加速度。
[0062] 第二步，建立J型管道內(nèi)力模型，將管道的內(nèi)力分為管道內(nèi)張力和管道內(nèi)阻尼力， 管道內(nèi)張力采用彈簧模型，能夠考慮管道拉伸伸長(zhǎng)的因素，根據(jù)管道的材料屬性求解管道 的張力系數(shù)，應(yīng)用Hook定律求解內(nèi)張力，在求解管道的阻尼力時(shí)，應(yīng)用管道的張力系數(shù)和 管道的材料屬性求解管道阻尼系數(shù)，并給予相鄰兩節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)加速度求解出管道阻尼力。
[0063] 步驟二利用Hook定律求解內(nèi)張力和阻尼力的方法如下：
[0064] 管道動(dòng)態(tài)內(nèi)力可以分為內(nèi)張力和阻尼力，基于彈簧模型和阻尼系統(tǒng)：
[0065] a內(nèi)張力：根據(jù)Hook's定律，并沿著X，z方向分解，則第i節(jié)點(diǎn)沿著水平方向內(nèi)張 力和沿著垂直方向內(nèi)張力表示為：
[0067]其中為離散管道單元長(zhǎng)度；巾$內(nèi)張力與水平方向的夾角；Xi，21分別為第i節(jié)點(diǎn)水平方向與豎直方向位移；Xg，Zh分別為第i_l節(jié)點(diǎn)水平方向與數(shù)值豎直方向位移。 [0068] Ke為彈簧系數(shù)，可以表示為：
[0070] 其中：&管道橫截面積，E為楊氏模量。
[0071]b內(nèi)部阻尼：沿著x，z方向分解，第i節(jié)點(diǎn)沿著水平方向內(nèi)部阻尼《和沿著垂直 方向內(nèi)張力表示為：
[0073] 其中：CV為內(nèi)部阻尼系數(shù)。
[0074] 第三步，建立J型管道外力模型，J型管道在鋪設(shè)過(guò)程中，主要受到海洋環(huán)境中海 流對(duì)管道作用產(chǎn)生的拖曳力的動(dòng)力影響，在建模過(guò)程中，將海流速度與管道節(jié)點(diǎn)所在海水 深度項(xiàng)關(guān)聯(lián)，從而考慮到不均勻海流產(chǎn)生的拖曳力。
[0075] 步驟三受到海洋環(huán)境中海流對(duì)管道作用產(chǎn)生的拖曳力仿真方法如下：
[0076] 管道單元外力
[0077] 外力是環(huán)境力作用于管道上，主要包含拖曳力，管道重力和浮力。
[0078] a?第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的拖曳力：沿著管道和垂直管道方向拖曳力Fjr，F(xiàn)j"為：
[0080] 其中：PWS海水的密度，d為管道的直徑，CT+Cy為沿著管道和垂直管道方向的 拖曳力系數(shù)，為沿著管道方向和垂直管道方向的相對(duì)速度：
[0082] 為固定坐標(biāo)系下海流的橫向速度和豎直速度，一般橫向海流速度從海面 至海底水流速度逐漸減為0,垂向的海流速度
[0083] 由此水平方向和垂直方向的拖曳力^可以表示為：
[0085] b?第i節(jié)點(diǎn)的重力W和浮力K表示為：
[0087] 其中：PpS管道的密度，m為每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)管道的質(zhì)量，^為每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)管道的 體積，g為重力加速度。
[0088] 第四步，結(jié)合邊界條件實(shí)現(xiàn)鋪管船運(yùn)動(dòng)對(duì)J型管道的影響，在J型管道鋪設(shè)過(guò)程 中，管道的一端與鋪管船相連，另一端平鋪到海底，在建模過(guò)程中以水面的船舶托管架處運(yùn) 動(dòng)為邊界條件，考慮船舶運(yùn)動(dòng)對(duì)管道的影響，從而建立管道動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)模型。
[0089] 步驟四建立管道動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)模型方法如下：
[0090] 邊界條件
[0091]a.節(jié)點(diǎn)0為管道在托管架的脫離點(diǎn)，與托管架具有相同的位移、速度和加速度：
[0092] b?海底邊界件
[0093] 在海底面節(jié)點(diǎn)n的縱向位移為水深，橫向位移為0