[发明专利]一种用于预测复合材料柔性管失效荷载的随机分析方法

说明书

本发明属于海洋工程设计领域，公开了一种用于预测复合材料柔性管失效荷载的随机分析方法，包括：建立深海复合材料柔性管的三维力学分析模型，并获取生产参数的随机范围，同时生成各生产参数的随机样本，将随机样本数与ABAQUS软件计算模型相结合，根据Hashin–Yeh失效准则与复合材料渐进损伤失效系数对复合材料柔性管的失效荷载进行随机分析。系统包括：随机样本生成模块；强度参数及弹性常数评估模块；应力分析模块；复合材料柔性管损伤失效分析模块。本发明基于Monte‑Carlo方法结合ABAQUS有限元分析提出了针对深水复合材料柔性管损伤失效的随机分析方法，可以更准确的预测柔性管损伤失效载荷。

技术领域

本发明属于海洋工程设计领域，尤其涉及一种用于预测复合材料柔性管失效荷载的随机分析方法。

背景技术

目前：深海复合材料柔性管是一种比较新型的可缠绕复合管。由于它不同于非粘结型柔性管，不需要复杂的骨架层、铠装层等结构或热固性树脂，它的生产及施工成本比其他管道要低，同时它拥有优良的强度、耐腐蚀性、可缠绕行和易安装等优势。该类型管道最初是为陆上应用开发的，如输油管线和注水管线等。例如，Sovereign管道(正式名称为HalliflowTM)是Wellstream公司早期开发的一种商业RTPs，自1989年以来一直作为一种创新的管道技术用于陆上油田输流管线。由于复合材料柔性管在陆上应用的良好效果，越来越多的专家学者接受复合材料柔性管作为海上项目的替代管道。近年来，中东和东南亚地区已经安装了超过500公里的RTPs，在石油和天然气行业中，扩大RTPs使用的兴趣仍在增加，同时随着复合材料材料的发展，复合材料柔性管逐渐尝试应用于深水油气的开采与输送。

但现阶段深海复合材料柔性管相关力学性能的研究还有待完善，损伤失效预测仍是目前符合材料柔性管生产设计中的难点问题。目前，在复合材料柔性管的研究和设计过程中，采用的都是在确定各工艺参数的基础上进行确定性建模，然而，由于复合材料生产过程中的不确定性，设计参数(如层厚、缠绕角度及纤维含量)呈现出随机性。同时，各生产工艺参数对复合材料柔性管的力学性能影响十分显著。因此，为了更准确地预测复合管道的损伤失效，应考虑设计参数的随机性。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的技术是针对确定性的工艺参数进行建模分析，忽略的生产过程中各参数的随机性，即在生产过程中无法保证各生产参数数值的准确性，都是在一定范围波动的，现有技术方案忽略的这一点，所以计算结果并不能准确的代表样管的真实力学性能。

解决以上问题及缺陷的难度为：在样管生产过程中各生产工艺参数(如壁厚、纤维含量、缠绕角度等等)存在一定的随机性，即生产的多根样管的工艺参数数值并不是一个固定值，而是在固定值附近波动。根据已有的研究成果，不同生产工艺参数数值对柔性管力学性能有明显的影响。柔性管成产过程中，工艺参数众多，参数值分布较多，确定不同工艺参数数值波动范围是一个难点；同时，如何综合考虑各工艺参数的随机性是第二个难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：柔性管的力学性能分析对于柔性管设计具有重要意义，因为低估某些参数(如管壁厚度、缠绕角度等)可能导致管道失效，并在环境、经济和地缘政治方面产生灾难性的后果。另一方面，由于海上管道的长度通常较长，稍微高估一些参数(如壁厚、纤维含量)将导致大量额外的生产和运输成本。现有的确定性分析方法无法准确的模拟生产过程中的生产工艺参数的随机分布，因此会高估或低估柔性管的力学性能，无法保证柔性管道在运营期的安全性。本发明可以更准确的评估柔性管的力学性能，综合考虑了各工艺参数的随机性，既能保证柔性管生产质量，同时可以为安全系数的选取提供更可靠的依据。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于预测复合材料柔性管失效荷载的随机分析方法。