本發(fā)明涉及海洋工程設(shè)備中的頂張式立管分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種頂張式立管液壓張緊器的有限元模擬方法。

背景技術(shù)：

張緊器系統(tǒng)是海洋工程領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備，頂張式立管通過張緊器系統(tǒng)與浮式平臺(tái)相連接。張緊器的作用是調(diào)節(jié)浮式平臺(tái)對(duì)立管的巨大作用力，進(jìn)而直接影響立管的整體響應(yīng)，保護(hù)立管結(jié)構(gòu)。張緊器可以保證立管在平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)避免受壓屈曲，并在平臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)起到緩沖作用。在頂張式立管的有限元分析過程中，需要對(duì)張緊器系統(tǒng)進(jìn)行模擬，既要合理地模擬張緊器的張力-沖程關(guān)系特性，又要合理地處理浮式平臺(tái)、張緊器和立管之間的關(guān)系進(jìn)而將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)正確地傳遞給立管頂部，這對(duì)于正確地預(yù)報(bào)頂張式立管的響應(yīng)至關(guān)重要。

首先，目前關(guān)于液壓張緊器的張力-沖程關(guān)系的模擬主要有三種方式：

(1)不考慮張緊器的張力隨沖程的變化，簡(jiǎn)單地將張緊器處理為恒定張緊力；

(2)考慮了張緊器的張力隨沖程的變化，但忽略張緊器張力與沖程的非線性關(guān)系，將張緊器模擬為一個(gè)剛度恒定的豎直彈簧；

(3)考慮了張緊器的張力與沖程的非線性關(guān)系，但僅將張緊器模擬為一個(gè)非線性的豎直彈簧。

上述三種模擬方式與實(shí)際工況下張緊器相比存在以下缺陷：1)沒有考慮張緊器氣柱和立管之間并非豎直，而是存在一定夾角；2)沒有考慮張緊器包含四根氣柱而非一根。因此現(xiàn)有處理方式無法真實(shí)地反映張緊器的張力-沖程關(guān)系特性，基于此建立的頂張式立管力學(xué)模型與實(shí)際不符，最終將導(dǎo)致所計(jì)算的頂張式立管的響應(yīng)結(jié)果與實(shí)際響應(yīng)之間存在較大偏差。

其次，關(guān)于浮式平臺(tái)、張緊器和立管之間的關(guān)系的處理，目前的處理方法往往將浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)直接施加在立管頂端或彈簧上，這種處理方式忽略了浮式的平臺(tái)的剛體運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種頂張式立管液壓張緊器的有限元模擬方法。

本發(fā)明中運(yùn)用更為合理的做法：將浮式平臺(tái)處理為剛體，即在平臺(tái)重心和平臺(tái)甲板(即張緊器頂部)之間建立剛體連接，并在隨后進(jìn)行有限元分析時(shí)將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)施加在平臺(tái)的重心位置。這樣才能將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過平臺(tái)重心-平臺(tái)甲板(與張緊器頂端相連)-張力環(huán)(位于立管頂部)的方式正確地傳遞給立管頂部。

該方法不但能夠合理地模擬張緊器的張力-沖程關(guān)系特性，而且能夠正確地處理浮式平臺(tái)、張緊器和立管之間的關(guān)系。本發(fā)明提出的模擬方法使得頂張式立管模型頂部受到的張力和運(yùn)動(dòng)更加符合實(shí)際，進(jìn)而使得頂張式立管的有限元分析更加合理和準(zhǔn)確。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種頂張式立管液壓張緊器的有限元模擬方法，涉及合理地模擬張緊器的張力-沖程關(guān)系特性以及正確地處理浮式平臺(tái)、張緊器和立管之間的關(guān)系兩個(gè)方面，具體包括以下步驟：

步驟S1、確定頂張式立管的結(jié)構(gòu)屬性、幾何屬性、材料屬性以及立管水下部分和水上部分的分布情況；

步驟S2、計(jì)算頂張式立管水上部分的干重W_d和水下部分的濕重W_w。

步驟S3、確定張緊器的張力因子f。

步驟S4、計(jì)算張緊器的名義張力的豎直分量T_up＝W_d+f·W_w。

步驟S5、確定張緊器的氣柱和立管之間的初始角度θ。

步驟S6、計(jì)算張緊器每一根氣柱方向的名義張力

步驟S7、確定張緊器的氣柱的長(zhǎng)度L和絕熱系數(shù)γ。

步驟S8、計(jì)算每根氣柱的實(shí)際張力T和沖程x之間的關(guān)系

步驟S9、根據(jù)頂張式立管的相關(guān)屬性，采用梁?jiǎn)卧㈨攺埵搅⒐苣Ｐ汀?/p>

步驟S10、根據(jù)實(shí)際工況，在頂張式立管模型上確定張力環(huán)和扶正滾輪對(duì)應(yīng)的位置。

步驟S11、確定浮式平臺(tái)的重心位置和與張緊器頂端相連平臺(tái)甲板的位置。

步驟S12、采用離散剛體單元，在浮式平臺(tái)的重心位置和平臺(tái)甲板的四個(gè)位置之間分別建立剛體連接，形成浮式平臺(tái)剛體模型。

步驟S13、采用四個(gè)彈簧單元模擬張緊器系統(tǒng)的四個(gè)氣柱，將立管模型上的張力環(huán)位置分別與浮式平臺(tái)模型上的甲板位置相連接。

步驟S14、將步驟S7計(jì)算得到的氣柱的張力-沖程關(guān)系，賦予步驟S13中建立的四個(gè)彈簧，形成了四個(gè)非線性彈簧單元。

步驟S15、在浮式平臺(tái)模型的重心位置和頂張式立管模型上的扶正滾輪位置之間建立運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系，模擬浮式平臺(tái)在扶正滾輪位置對(duì)立管的位移約束。

步驟S16、在頂張式立管有限元分析過程中，將浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)施加在浮式平臺(tái)模型的重心位置上。

優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)屬性包括外層套管和內(nèi)部油管的數(shù)量。

優(yōu)選地，幾何屬性包括內(nèi)外徑和壁厚。

優(yōu)選地，材料屬性包括材料規(guī)格、材料密度。

優(yōu)選地，在步驟S9中，建立頂張式立管模型，包括建立幾何模型賦予材料屬性、進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)置邊界條件。

優(yōu)選地，在步驟S11中，浮式平臺(tái)的重心位置和與張緊器頂端相連平臺(tái)甲板的位置，包括四個(gè)分別對(duì)應(yīng)四個(gè)氣柱的位置。

優(yōu)選地，該頂張式立管液壓張緊器的有限元模擬方法，在步驟S12之后，還包括：

步驟S12.2、根據(jù)浮式平臺(tái)和立管的空間位置關(guān)系，將浮式平臺(tái)剛體模型和頂張式立管模型進(jìn)行空間組裝。

優(yōu)選地，該頂張式立管液壓張緊器的有限元模擬方法，在步驟S12.2之后，還包括：

步驟S12.3、采用彈簧單元，將頂張式立管模型上的張力環(huán)位置分別與浮式平臺(tái)模型上的甲板位置相連接，形成四個(gè)彈簧單元。

實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案，至少具有以下的有益效果：

(1)正確地計(jì)算得到張緊器每根氣柱的張力T和沖程x之間的關(guān)系能夠合理地模擬張緊器的張力-沖程的非線性關(guān)系；

(2)采用四根非線性彈簧分別模擬液壓式張緊器的四根液壓氣柱，并考慮了氣柱與立管之間的偏角，使得所建立的張緊器有限元模型與張緊器的實(shí)際特性更加吻合。

(3)合理地處理了浮式平臺(tái)、張緊器和立管之間的關(guān)系。將浮式平臺(tái)處理為剛體，即在平臺(tái)重心和平臺(tái)甲板(即張緊器頂部)之間建立剛體連接，并在隨后進(jìn)行有限元分析時(shí)將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)施加在平臺(tái)的重心位置。這樣才能將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過平臺(tái)重心-平臺(tái)甲板(即張緊器頂端)-張力環(huán)(即立管頂端)的方式正確地傳遞給立管頂部。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的頂張式立管液壓張緊器的有限元模擬方法中的液壓式張緊器氣柱的張力-沖程關(guān)系計(jì)算流程圖。

圖2是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的頂張式立管液壓張緊器的有限元模擬方法中的液壓式張緊器的有限元模擬流程圖。

圖3是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的頂張式立管液壓張緊器的有限元模擬方法中的液壓式張緊器的有限元模擬模型圖。

圖中標(biāo)號(hào)的說明：1.頂張式立管；2.浮式平臺(tái)；3.氣柱；4.張力環(huán)；5.扶正滾輪；6.浮式平臺(tái)的重心位置；7.浮式平臺(tái)的甲板位置。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

【實(shí)施例一】

如圖1-3所示，本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中的頂張式立管1液壓張緊器的有限元模擬方法，包括如下步驟。

步驟S1、確定頂張式立管1的結(jié)構(gòu)屬性、幾何屬性、材料屬性以及立管水下部分和水上部分的分布情況。

步驟S2、計(jì)算頂張式立管1水上部分的干重W_d和水下部分的濕重W_w。

步驟S3、確定張緊器的張力因子f。

步驟S4、計(jì)算張緊器的名義張力的豎直分量T_up＝W_d+f·W_w。

步驟S5、確定張緊器的氣柱3和立管之間的初始角度θ。

步驟S6、計(jì)算張緊器每一根氣柱3方向的名義張力

步驟S7、確定張緊器的氣柱3的長(zhǎng)度L和絕熱系數(shù)γ。

步驟S8、計(jì)算每根氣柱3的實(shí)際張力T和沖程x之間的關(guān)系

步驟S9、根據(jù)頂張式立管1的相關(guān)屬性，采用梁?jiǎn)卧㈨攺埵搅⒐苣Ｐ汀?/p>

步驟S10、根據(jù)實(shí)際工況，在頂張式立管模型上確定張力環(huán)4和扶正滾輪5對(duì)應(yīng)的位置。

步驟S11、確定浮式平臺(tái)的重心位置6和與張緊器頂端相連平臺(tái)甲板的位置。

步驟S12、采用離散剛體單元，在浮式平臺(tái)的重心位置6和平臺(tái)甲板的四個(gè)位置之間分別建立剛體連接，形成浮式平臺(tái)2剛體模型。

步驟S13、采用四個(gè)彈簧單元模擬張緊器系統(tǒng)的四個(gè)氣柱3，將立管模型上的張力環(huán)4位置分別與浮式平臺(tái)模型上的甲板位置7相連接。

步驟S14、將步驟S7計(jì)算得到的氣柱3的張力-沖程關(guān)系，賦予步驟S13中建立的四個(gè)彈簧，形成了四個(gè)非線性彈簧單元。

步驟S15、在浮式平臺(tái)模型的重心位置和頂張式立管模型上的扶正滾輪5位置之間建立運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系，模擬浮式平臺(tái)2在扶正滾輪5位置對(duì)立管的位移約束。

步驟S16、在頂張式立管1有限元分析過程中，將浮式平臺(tái)2的運(yùn)動(dòng)施加在浮式平臺(tái)模型的重心位置上。

本實(shí)施例的頂張式立管1液壓張緊器的有限元模擬方法將浮式平臺(tái)2處理為剛體，即在平臺(tái)重心和平臺(tái)甲板(即張緊器頂部)之間建立剛體連接，并在隨后進(jìn)行有限元分析時(shí)將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)施加在平臺(tái)的重心位置。這樣才能將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過平臺(tái)重心-平臺(tái)甲板(與張緊器頂端相連)-張力環(huán)4(位于立管頂部)的方式正確地傳遞給立管頂部。

該方法不但能夠合理地模擬張緊器的張力-沖程關(guān)系特性，而且能夠正確地處理浮式平臺(tái)2、張緊器和立管之間的關(guān)系。本發(fā)明提出的模擬方法使得頂張式立管模型頂部受到的張力和運(yùn)動(dòng)更加符合實(shí)際，進(jìn)而使得頂張式立管1的有限元分析更加合理和準(zhǔn)確。

實(shí)施本實(shí)施例的技術(shù)方案能以下的有益效果：

(1)正確地計(jì)算得到張緊器每根氣柱3的張力T和沖程x之間的關(guān)系能夠合理地模擬張緊器的張力-沖程的非線性關(guān)系；

(2)采用四根非線性彈簧分別模擬液壓式張緊器的四根液壓氣柱3，并考慮了氣柱3與立管之間的偏角，使得所建立的張緊器有限元模型與張緊器的實(shí)際特性更加吻合。

(3)合理地處理了浮式平臺(tái)2、張緊器和立管之間的關(guān)系。將浮式平臺(tái)2處理為剛體，即在平臺(tái)重心和平臺(tái)甲板(即張緊器頂部)之間建立剛體連接，并在隨后進(jìn)行有限元分析時(shí)將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)施加在平臺(tái)的重心位置。這樣才能將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過平臺(tái)重心-平臺(tái)甲板(即張緊器頂端)-張力環(huán)4(即立管頂端)的方式正確地傳遞給立管頂部。

【實(shí)施例二】

本實(shí)施例的頂張式立管1液壓張緊器的有限元模擬方法對(duì)實(shí)施例一的技術(shù)方案做了進(jìn)一步改進(jìn)，其包括實(shí)施例一的所有內(nèi)容。

本實(shí)施例的頂張式立管1液壓張緊器的有限元模擬方法，如圖1-3所示，包括如下步驟。

步驟S1、確定頂張式立管1的結(jié)構(gòu)屬性、幾何屬性、材料屬性以及立管水下部分和水上部分的分布情況。其中，結(jié)構(gòu)屬性包括外層套管和內(nèi)部油管的數(shù)量，進(jìn)一步地，幾何屬性包括內(nèi)外徑和壁厚。，材料屬性包括材料規(guī)格、材料密度。

步驟S2、計(jì)算頂張式立管1水上部分的干重W_d和水下部分的濕重W_w。

步驟S3、確定張緊器的張力因子f。

步驟S4、計(jì)算張緊器的名義張力的豎直分量T_up＝W_d+f·W_w。

步驟S5、確定張緊器的氣柱3和立管之間的初始角度θ。

步驟S6、計(jì)算張緊器每一根氣柱3方向的名義張力

步驟S7、確定張緊器的氣柱3的長(zhǎng)度L和絕熱系數(shù)γ。

步驟S8、計(jì)算每根氣柱3的實(shí)際張力T和沖程x之間的關(guān)系

步驟S9、根據(jù)頂張式立管1的相關(guān)屬性，采用梁?jiǎn)卧㈨攺埵搅⒐苣Ｐ汀?/p>

優(yōu)選地，建立頂張式立管模型，包括建立幾何模型賦予材料屬性、進(jìn)行網(wǎng)格劃分和設(shè)置邊界條件等過程。

步驟S10、根據(jù)實(shí)際工況，在頂張式立管模型上確定張力環(huán)4和扶正滾輪5對(duì)應(yīng)的位置。

步驟S11、確定浮式平臺(tái)的重心位置6和與張緊器頂端相連平臺(tái)甲板的位置。

優(yōu)選地，在步驟S11中，浮式平臺(tái)的重心位置6和與張緊器頂端相連平臺(tái)甲板的位置，包括四個(gè)分別對(duì)應(yīng)四個(gè)氣柱3的位置。

步驟S12、采用離散剛體單元，在浮式平臺(tái)的重心位置6和平臺(tái)甲板的四個(gè)位置之間分別建立剛體連接，形成浮式平臺(tái)2剛體模型。

步驟S12.2、根據(jù)浮式平臺(tái)2和立管的空間位置關(guān)系，將浮式平臺(tái)2剛體模型和頂張式立管模型進(jìn)行空間組裝。這里需要注意，浮式平臺(tái)2剛體模型2的重心位置6和頂張式立管模型1在空間上有可能重合，但二者之間是沒有實(shí)質(zhì)的接觸關(guān)系的。

步驟S12.3、采用彈簧單元，將頂張式立管模型上的張力環(huán)4位置分別與浮式平臺(tái)模型上的甲板位置7相連接，形成四個(gè)彈簧單元，用來模擬張緊器系統(tǒng)的四個(gè)氣柱3。

步驟S13、采用四個(gè)彈簧單元模擬張緊器系統(tǒng)的四個(gè)氣柱3，將立管模型上的張力環(huán)4位置分別與浮式平臺(tái)模型上的甲板位置7相連接。

步驟S14、將步驟S7計(jì)算得到的氣柱3的張力-沖程關(guān)系，賦予步驟S13中建立的四個(gè)彈簧，形成了四個(gè)非線性彈簧單元。

步驟S15、在浮式平臺(tái)模型的重心位置和頂張式立管模型上的扶正滾輪5位置之間建立運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系，模擬浮式平臺(tái)2在扶正滾輪5位置對(duì)立管的位移約束。

步驟S16、在頂張式立管1有限元分析過程中，將浮式平臺(tái)2的運(yùn)動(dòng)施加在浮式平臺(tái)模型的重心位置上。

根據(jù)上述步驟建立得到的頂張式立管11的液壓張緊器的有限元模型如圖3所示。

本實(shí)施例的頂張式立管1液壓張緊器的有限元模擬方法將浮式平臺(tái)2處理為剛體，即在平臺(tái)重心和平臺(tái)甲板(即張緊器頂部)之間建立剛體連接，并在隨后進(jìn)行有限元分析時(shí)將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)施加在平臺(tái)的重心位置。這樣才能將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過平臺(tái)重心-平臺(tái)甲板(與張緊器頂端相連)-張力環(huán)4(位于立管頂部)的方式正確地傳遞給立管頂部。

該方法不但能夠合理地模擬張緊器的張力-沖程關(guān)系特性，而且能夠正確地處理浮式平臺(tái)2、張緊器和立管之間的關(guān)系。本發(fā)明提出的模擬方法使得頂張式立管模型頂部受到的張力和運(yùn)動(dòng)更加符合實(shí)際，進(jìn)而使得頂張式立管1的有限元分析更加合理和準(zhǔn)確。

實(shí)施本實(shí)施例的技術(shù)方案能以下的有益效果：

(1)正確地計(jì)算得到張緊器每根氣柱3的張力T和沖程x之間的關(guān)系能夠合理地模擬張緊器的張力-沖程的非線性關(guān)系；

(2)采用四根非線性彈簧分別模擬液壓式張緊器的四根液壓氣柱3，并考慮了氣柱3與立管之間的偏角，使得所建立的張緊器有限元模型與張緊器的實(shí)際特性更加吻合。

(3)合理地處理了浮式平臺(tái)2、張緊器和立管之間的關(guān)系。將浮式平臺(tái)2處理為剛體，即在平臺(tái)重心和平臺(tái)甲板(即張緊器頂部)之間建立剛體連接，并在隨后進(jìn)行有限元分析時(shí)將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)施加在平臺(tái)的重心位置。這樣才能將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)通過平臺(tái)重心-平臺(tái)甲板(即張緊器頂端)-張力環(huán)4(即立管頂端)的方式正確地傳遞給立管頂部。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改、組合和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。