[发明专利]一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法

权利要求书

1.一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：理论假设，条件如下：

1.1)不考虑船体的耦合作用，忽略风荷载影响；

1.2)仅考虑海流的拖曳水动力作用，不考虑波浪作用；

1.3)海床简化为水平文克尔地基梁模型，即海床的垂直抵抗力简化为一系列线弹簧作用；

1.4)脐带缆材料各向同性，始终处于弹性阶段，且忽略轴向变形影响；

1.5)该力学分析为平面内分析，即二维分析；

步骤二：建立力学分析模型

脐带缆由于其细长特性，根据经典杆理论以脐带缆管道中心轴线位置描述其位形，划分为：

悬跨段，从下放点LOP到触地点TDP之间的管段，由悬浮段L₁、浮力块段L₂以及下降着地段L₃三部分组成；

触地段，管道触地点TD)之后置于海床上的管段；

根据上述深水脐带缆缓波型划分，建立两个坐标系分别对悬跨段和触地段进行力学分析：整体坐标系(x,y)以下放点(LOP)为该坐标系原点，用以分析悬跨段力学特性；局部坐标系(x₁,y₁)以触地点(TDP)为该坐标系原点，用以分析触地段力学特性；

步骤三：设定边界条件

脐带缆通过限弯器连接于水面浮式装置，将其连接简化为铰接连接，从而确定下放点LOP的边界条件；考虑脐带缆的直径影响，确定触地点处TDP的边界条件；

步骤四：数值求解

在求解过程中脐带缆顶端拉力T₀、悬跨段长度以及触地点位置都是未知量，仅顶端下放角θ₀为已知参数，需要通过迭代运算进行数值求解；

一旦顶端拉力T₀确定，通过递推法从顶端依次计算出每一微分单元的构型，从而求解出脐带缆缓波型的整体形态。

2.如权利要求1所述的一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：

步骤五：有限元模型验证：使用有限元软件OrcaFlex建模与理论方法进行对比分析。

3.如权利要求1或2所述的一种深海缓波型脐带缆的非线性静态分析方法，其特征在于：所述步骤二中，将缓波型的悬跨段划分成若干个微分管段单元，通过微分单元的力学平衡得到如下公式：

dV＝F_τdssinθ-F_ndscosθ-wds (1)

dH＝F_ndssinθ+F_τdscosθ (2)

dM＝Vdscosθ-Hdssinθ-w(ds)²cosθ/2-F_n(ds)²/2 (3)

$T=\sqrt{V^2+H^2}---\left(6\right)$

其中，T、V、H分别为管段的轴力、垂直力以及水平力；dV、dH分别为管段垂直力和水平力的增量；dM为管段的弯矩增量；F_n、F_τ分别是作用在单位长度管段上的水动力在法向和切向的分力；C_d、C_τ分别为法向和切向水动力系数；ρ_w为海水密度；D为管段外径，浮力块段等效外径为D₂，其余为D₁；w为管道单位长度的浮重，浮力块段等效单位浮重为w₂，其余为w₁；V_c为水流速度；ds为管段长度；θ为管段与水平方向的夹角；

采用悬链线理论对悬跨段进行力学分析，各微分单元与水平方向的夹角θ以及夹角增量dθ可以通过式(3)忽略高阶项推导得到：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{V}{H}\right)---\left(7\right)$

$d\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{V+dV}{H+dH}\right)-\arctan \left(\frac{V}{H}\right)---\left(8\right)$

一旦微分单元与水平方向的夹角θ求得，忽略管段的轴向变形可以得到各微分单元在x、y轴的增量为：

dx＝dscosθ，dy＝dssinθ(9)

上述计算脐带缆缓波型悬跨段的形态时基于忽略脐带缆的弯曲刚度的假设，将脐带缆简化为缆绳进行力学分析，实际的悬跨段脐带缆承受弯矩荷载，脐带缆弯矩根据梁理论推导公式如下：

$M=-EI\frac{d\mathrm{\θ}}{ds}---\left(10\right).$