1.本發(fā)明屬于海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法及系統(tǒng)。


背景技術(shù)：

2.對(duì)于深水和超深水海洋環(huán)境下的油氣生產(chǎn)，立管的安全性和可靠性至關(guān)重要。傳統(tǒng)鋼管抗腐蝕能力較差，因此亟需開發(fā)其它的管道輸運(yùn)方案。而海洋纖維增強(qiáng)柔性管具有較好的抗腐蝕能力和抗壓能力、良好的熱絕緣性、較高的剛度質(zhì)量比、充足的柔性、較好的抗疲勞性能等，因此被廣泛認(rèn)為是傳統(tǒng)鋼管的替代品。目前，這類管道已經(jīng)在中東和東南亞的一些淺水水域被當(dāng)做注水管道和集油管道使用。海洋纖維增強(qiáng)柔性管具有三層結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)外護(hù)套層和復(fù)合材料鋪層，各層粘結(jié)成為一個(gè)整體，不存在層間摩擦和滑移。內(nèi)外護(hù)套層通常由各向同性材料制成，比如高密度聚乙烯(pe)，聚酰胺樹脂(pa)，聚偏氟乙烯(pvdf)等，主要用于防止內(nèi)外液體環(huán)境對(duì)復(fù)合材料造成腐蝕。復(fù)合材料鋪層是主要承力層，通常由玻纖帶、碳纖帶等纖維增強(qiáng)材料以一定的角度纏繞而成。
3.為了保證管道在海洋環(huán)境中的安全性，需要對(duì)管道的線型和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行整體分析，而在管道整體分析中，海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度是必不可少的參數(shù)。而海洋纖維增強(qiáng)柔性管的多材料、多角度、多層鋪設(shè)的特點(diǎn)，給海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度的確定帶來了很大的挑戰(zhàn)。目前通常采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度。其中，實(shí)驗(yàn)需要根據(jù)管道尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)改造，這類實(shí)驗(yàn)設(shè)備通常形式復(fù)雜、外形龐大、造價(jià)較高，實(shí)驗(yàn)過程受設(shè)備改造情況、試件加工質(zhì)量、試件工裝等的影響較大。而數(shù)值模擬需要對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行單獨(dú)建模，時(shí)間成本較高，耗費(fèi)的計(jì)算資源較大，同時(shí)難以直觀得到材料參數(shù)、截面參數(shù)與管道軸向剛度的內(nèi)在聯(lián)系，難以直接指導(dǎo)管道定向設(shè)計(jì)，很難在短時(shí)間內(nèi)獲得符合要求的截面設(shè)計(jì)。因此，需要通過合理的理論推導(dǎo)，開發(fā)可以預(yù)測(cè)海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度的理論模型，建立管道截面幾何參數(shù)、材料參數(shù)與軸向剛度之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)內(nèi)徑、鋪層層數(shù)、鋪設(shè)角度、鋪層厚度和材料種類等幾何和材料參數(shù)進(jìn)行篩選，指導(dǎo)管道的截面設(shè)計(jì)，在短期內(nèi)得到滿足要求的初步設(shè)計(jì)方案。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

4.為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法及系統(tǒng)。
5.本發(fā)明的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法的技術(shù)方案如下：
6.s1、根據(jù)對(duì)海洋纖維增強(qiáng)柔性管所預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)建立每一鋪層的第一剛度矩陣和柔度矩陣，并根據(jù)對(duì)所述海洋纖維增強(qiáng)柔性管所預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)建立半徑矩陣和鋪設(shè)角度矩陣；
7.s2、基于所述鋪設(shè)角度矩陣和每一鋪層的所述柔度矩陣得到每一鋪層對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
和剪切耦合系數(shù)η；
8.s3、將每一鋪層的所述第一剛度矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到每一鋪層的第二剛度矩陣；
9.s4、計(jì)算所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的總應(yīng)變能，并基于拉力做功等于所述總應(yīng)變能時(shí)建立的平衡方程得到軸向剛度計(jì)算公式，將所述半徑矩陣和所述每一鋪層對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
、剪切耦合系數(shù)η、第二剛度矩陣代入所述軸向剛度計(jì)算公式，得到所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度；
10.s5、判斷所述軸向剛度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，若否，調(diào)整所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)，并返回執(zhí)行s1，直至所述軸向剛度達(dá)到所述預(yù)設(shè)值，根據(jù)達(dá)到所述預(yù)設(shè)值時(shí)對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)和截面幾何參數(shù)，得到所述海洋纖維增強(qiáng)柔性管的初步設(shè)計(jì)方案。
11.本發(fā)明的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法的有益效果如下：
12.本發(fā)明基于復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分別求解管道拉力做功和管道增加的應(yīng)變能，利用能量法的功能守恒原理建立海洋纖維增強(qiáng)柔性管在軸向拉伸載荷下的平衡方程，滿足拉力做功等于總應(yīng)變能的增加量，進(jìn)一步推導(dǎo)得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算公式，通過matlab編程，以循環(huán)累加的方式計(jì)算得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度。該方法具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，相較實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬，該方法建立起管道截面幾何參數(shù)、材料參數(shù)與軸向剛度之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以應(yīng)用于對(duì)管道的內(nèi)徑、鋪層層數(shù)、壁厚、纖維鋪設(shè)角度、材料種類等的直接篩選，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道截面的定向設(shè)計(jì)，在短期內(nèi)獲得滿足截面要求的初步設(shè)計(jì)方案；其次，該方法具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，在計(jì)算管道剛度方面可以降低成本，提高效率，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)及工程應(yīng)用具有重要意義；最后，本發(fā)明能為管道整體分析快速提供剛度參數(shù)，可以縮短管道整體分析及截面分析的時(shí)間周期，對(duì)管線的線型和動(dòng)力響應(yīng)分析具有巨大的實(shí)用價(jià)值，有助于推廣海洋纖維增強(qiáng)柔性管的工程應(yīng)用，提高在海洋纖維增強(qiáng)柔性管設(shè)計(jì)、分析和安裝方面的技術(shù)水平。
13.在上述方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法還可以做如下改進(jìn)。
14.進(jìn)一步，所述截面幾何參數(shù)具體包括：管道內(nèi)徑、內(nèi)護(hù)套層厚度、外護(hù)套層厚度、復(fù)合材料鋪層的單層厚度、復(fù)合材料鋪層的層數(shù)和復(fù)合材料各鋪層的纖維鋪設(shè)角度；所述材料參數(shù)具體包括：內(nèi)護(hù)套層、外護(hù)套層各向同性材料的彈性模量和泊松比，復(fù)合材料的彈性模量、泊松比和剪切模量。
15.采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過明確材料參數(shù)和截面幾何參數(shù)，便于后續(xù)對(duì)軸向剛度的計(jì)算。
16.進(jìn)一步，所述第一剛度矩陣s：
17.18.其中，σ1為纖維方向的主應(yīng)力，σ2為纖維面內(nèi)切向的主應(yīng)力，σ3為纖維面外切向的主應(yīng)力，τ
23
為與纖維方向垂直平面的切應(yīng)力，τ
13
為與纖維方向平行的平面外的切應(yīng)力，τ
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的切應(yīng)力，ε1為纖維方向的主應(yīng)變，ε2為纖維面內(nèi)切向的主應(yīng)變，ε3為纖維面外切向的主應(yīng)變，γ
23
為與纖維方向垂直平面的切應(yīng)變，γ
13
為與纖維方向平行的平面外的切應(yīng)變，γ
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的切應(yīng)變；
19.其中，所述第一剛度矩陣s中的各個(gè)元素按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：
[0020][0021]
其中，e1為纖維方向的彈性模量，e2纖維面內(nèi)切向的彈性模量，e3為纖維面外切向的彈性模量，g
23
為與纖維方向垂直平面的剪切模量，g
13
為與纖維方向平行的平面外的剪切模量，g
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的剪切模量，v
21
、v
31
和v
23
為材料主坐標(biāo)系下的三個(gè)泊松比。
[0022]
進(jìn)一步，所述s2具體包括：
[0023]
基于預(yù)設(shè)推導(dǎo)公式得到所述鋪設(shè)角度矩陣和每一鋪層的所述柔度矩陣對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
和剪切耦合系數(shù)η，其中，所述預(yù)設(shè)推導(dǎo)公式為：
[0024][0025]
其中，c
12
，c
13
，c
23
，c
22
和c
66
為所述柔度矩陣c中的元素，a＝cosθ，b＝sinθ，θ為每一鋪層的所述鋪設(shè)角度，所述柔度矩陣c為：c＝s-1
；所述鋪設(shè)角度矩陣θ為：θ＝[θ1?…?
θi?…?
θn]，其中，θi為第i鋪層鋪設(shè)角度，所述內(nèi)外護(hù)套層的鋪設(shè)角度為0度。
[0026]
進(jìn)一步，所述s3具體包括：
[0027]
根據(jù)剛度矩陣轉(zhuǎn)換公式將每一鋪層的所述第一剛度矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到所述第二剛度矩陣，其中，q為第二剛度矩陣，t為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，所述剛度矩陣轉(zhuǎn)換公式為q＝t-1
st，t的具體形式為：
[0028][0029]
進(jìn)一步，所述平衡方程為：其中，f為軸向拉力載荷，l為管道的軸向長(zhǎng)度，δl軸向伸長(zhǎng)量；
[0030][0031]
u為所述總應(yīng)變能，ui為每一鋪層的應(yīng)變能，ε
x
＝δl/l，q
11
，q
12
，q
13
，q
16
，q
21
，q
22
，q
23
，q
26
，q
31
，q
32
，q
33
，q
36
，q
61
，q
62
，q
63
和q
66
為所述第二剛度矩陣中的元素，其中，r1為內(nèi)徑，r
n+1
為外徑，ri為第i層內(nèi)徑，根據(jù)多個(gè)所述內(nèi)徑構(gòu)建半徑矩陣r，r＝[r
1 r2?…?ri
?…?rn r
n+1
]；
[0032]
根據(jù)所述平衡方程得到：
[0033][0034]
所述軸向剛度計(jì)算公式為：
[0035][0036]
其中，ea為所述軸向剛度。
[0037]
采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過能量守恒原理推導(dǎo)出軸向剛度的計(jì)算公式，便于獲取滿足預(yù)設(shè)軸向剛度的參數(shù)。
[0038]
本發(fā)明的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算系統(tǒng)的技術(shù)方案如下：
[0039]
包括：創(chuàng)建模塊、第一處理模塊、轉(zhuǎn)換模塊、第二處理模塊和循環(huán)模塊；
[0040]
所述創(chuàng)建模塊用于：根據(jù)對(duì)海洋纖維增強(qiáng)柔性管所預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)建立每一鋪層的第一剛度矩陣和柔度矩陣，并根據(jù)對(duì)所述海洋纖維增強(qiáng)柔性管所預(yù)設(shè)的初始截面幾
何參數(shù)建立半徑矩陣和鋪設(shè)角度矩陣；
[0041]
所述第一處理模塊用于：基于所述鋪設(shè)角度矩陣和每一鋪層的所述柔度矩陣得到每一鋪層對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
和剪切耦合系數(shù)η；
[0042]
所述轉(zhuǎn)換模塊用于：將每一鋪層的所述第一剛度矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到每一鋪層的第二剛度矩陣；
[0043]
所述第二處理模塊用于：計(jì)算所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的總應(yīng)變能，并基于拉力做功等于所述總應(yīng)變能時(shí)建立的平衡方程得到軸向剛度計(jì)算公式，將所述半徑矩陣和所述每一鋪層對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
、剪切耦合系數(shù)η、第二剛度矩陣代入所述軸向剛度計(jì)算公式，得到所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度；
[0044]
所述循環(huán)模塊用于：判斷所述軸向剛度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，若否，調(diào)整所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)，并返回執(zhí)行s1，直至所述軸向剛度達(dá)到所述預(yù)設(shè)值，根據(jù)達(dá)到所述預(yù)設(shè)值時(shí)對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)和截面幾何參數(shù)，得到所述海洋纖維增強(qiáng)柔性管的初步設(shè)計(jì)方案。
[0045]
本發(fā)明的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算系統(tǒng)的有益效果如下：
[0046]
本發(fā)明基于復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分別求解管道拉力做功和管道增加的應(yīng)變能，利用能量法的功能守恒原理建立海洋纖維增強(qiáng)柔性管在軸向拉伸載荷下的平衡方程，滿足拉力做功等于總應(yīng)變能的增加量，進(jìn)一步推導(dǎo)得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算公式，通過matlab編程，以循環(huán)累加的方式計(jì)算得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，相較實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬，該系統(tǒng)建立起管道截面幾何參數(shù)、材料參數(shù)與軸向剛度之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以應(yīng)用于對(duì)管道的內(nèi)徑、鋪層層數(shù)、壁厚、纖維鋪設(shè)角度、材料種類等的直接篩選，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道截面的定向設(shè)計(jì)，在短期內(nèi)獲得滿足截面要求的初步設(shè)計(jì)方案；其次，該系統(tǒng)具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，在計(jì)算管道剛度方面可以降低成本，提高效率，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)及工程應(yīng)用具有重要意義；最后，本發(fā)明能為管道整體分析快速提供剛度參數(shù)，可以縮短管道整體分析及截面分析的時(shí)間周期，對(duì)管線的線型和動(dòng)力響應(yīng)分析具有巨大的實(shí)用價(jià)值，有助于推廣海洋纖維增強(qiáng)柔性管的工程應(yīng)用，提高在海洋纖維增強(qiáng)柔性管設(shè)計(jì)、分析和安裝方面的技術(shù)水平。
[0047]
在上述方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算系統(tǒng)還可以做如下改進(jìn)。
[0048]
進(jìn)一步，所述截面幾何參數(shù)具體包括：管道內(nèi)徑、內(nèi)護(hù)套層厚度、外護(hù)套層厚度、復(fù)合材料鋪層的單層厚度、復(fù)合材料鋪層的層數(shù)和復(fù)合材料各鋪層的纖維鋪設(shè)角度；所述材料參數(shù)具體包括：內(nèi)護(hù)套層、外護(hù)套層各向同性材料的彈性模量和泊松比，復(fù)合材料的彈性模量、泊松比和剪切模量。
[0049]
采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是：通過明確材料參數(shù)和截面幾何參數(shù)，便于后續(xù)對(duì)軸向剛度的計(jì)算。
[0050]
進(jìn)一步，所述第一剛度矩陣s：
[0051][0052]
其中，σ1為纖維方向的主應(yīng)力，σ2為纖維面內(nèi)切向的主應(yīng)力，σ3為纖維面外切向的主應(yīng)力，τ
23
為與纖維方向垂直平面的切應(yīng)力，τ
13
為與纖維方向平行的平面外的切應(yīng)力，τ
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的切應(yīng)力，ε1為纖維方向的主應(yīng)變，ε2為纖維面內(nèi)切向的主應(yīng)變，ε3為纖維面外切向的主應(yīng)變，γ
23
為與纖維方向垂直平面的切應(yīng)變，γ
13
為與纖維方向平行的平面外的切應(yīng)變，γ
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的切應(yīng)變；
[0053]
其中，所述第一剛度矩陣s中的各個(gè)元素按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：
[0054][0055]
其中，e1為纖維方向的彈性模量，e2纖維面內(nèi)切向的彈性模量，e3為纖維面外切向的彈性模量，g
23
為與纖維方向垂直平面的剪切模量，g
13
為與纖維方向平行的平面外的剪切模量，g
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的剪切模量，v
21
、v
31
和v
23
為材料主坐標(biāo)系下的三個(gè)泊松比。
[0056]
進(jìn)一步，所述第一處理模塊具體用于：
[0057]
基于預(yù)設(shè)推導(dǎo)公式得到所述鋪設(shè)角度矩陣和每一鋪層的所述柔度矩陣對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
和剪切耦合系數(shù)η，其中，所述預(yù)設(shè)推導(dǎo)公式為：
[0058][0059]
其中，c
12
，c
13
，c
23
，c
22
和c
66
為所述柔度矩陣c中的元素，a＝cosθ，b＝sinθ，θ為每一鋪層的所述鋪設(shè)角度，所述柔度矩陣c為：c＝s-1
；所述鋪設(shè)角度矩陣θ為：θ＝[θ1?…?
θi?…?
θn]，其中，θi為第i鋪層鋪設(shè)角度，所述內(nèi)外護(hù)套層的鋪設(shè)角度為0度。
[0060]
本發(fā)明的一種電子設(shè)備的技術(shù)方案如下：
[0061]
包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如上述一種海洋纖維增強(qiáng)
柔性管軸向剛度計(jì)算方法的步驟。
附圖說明
[0062]
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法的流程示意圖；
[0063]
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法中的單層纖維增強(qiáng)材料的材料主坐標(biāo)系示意圖；
[0064]
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法中的單層纖維增強(qiáng)材料的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖；
[0065]
圖4為本發(fā)明實(shí)施例的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0066]
如圖1所示，一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法，包括如下步驟：
[0067]
s1、根據(jù)對(duì)海洋纖維增強(qiáng)柔性管所預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)建立每一鋪層的第一剛度矩陣和柔度矩陣，并根據(jù)對(duì)所述海洋纖維增強(qiáng)柔性管所預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)建立半徑矩陣和鋪設(shè)角度矩陣；
[0068]
s2、基于所述鋪設(shè)角度矩陣和每一鋪層的所述柔度矩陣得到每一鋪層對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
和剪切耦合系數(shù)η；
[0069]
s3、將每一鋪層的所述第一剛度矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到每一鋪層的第二剛度矩陣；
[0070]
s4、計(jì)算所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的總應(yīng)變能，并基于拉力做功等于所述總應(yīng)變能時(shí)建立的平衡方程得到軸向剛度計(jì)算公式，將所述半徑矩陣和所述每一鋪層對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
、剪切耦合系數(shù)η、第二剛度矩陣代入所述軸向剛度計(jì)算公式，得到所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度；
[0071]
s5、判斷所述軸向剛度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，若否，調(diào)整所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)，并返回執(zhí)行s1，直至所述軸向剛度達(dá)到所述預(yù)設(shè)值，根據(jù)達(dá)到所述預(yù)設(shè)值時(shí)對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)和截面幾何參數(shù)，得到所述海洋纖維增強(qiáng)柔性管的初步設(shè)計(jì)方案。
[0072]
本發(fā)明基于復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分別求解管道拉力做功和管道增加的應(yīng)變能，利用能量法的功能守恒原理建立海洋纖維增強(qiáng)柔性管在軸向拉伸載荷下的平衡方程，滿足拉力做功等于總應(yīng)變能的增加量，進(jìn)一步推導(dǎo)得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算公式，通過matlab編程，以循環(huán)累加的方式計(jì)算得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度。該方法具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，相較實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬，該方法建立起管道截面幾何參數(shù)、材料參數(shù)與軸向剛度之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以應(yīng)用于對(duì)管道的內(nèi)徑、鋪層層數(shù)、壁厚、纖維鋪設(shè)角度、材料種類等的直接篩選，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道截面的定向設(shè)計(jì)，在短期內(nèi)獲得滿足截面要求的初步設(shè)計(jì)方案；其次，該方法具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，在計(jì)算管道剛度方面可以降低成本，提高效率，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)及工程應(yīng)用具有重要意義；最后，本發(fā)明能為管道整體分析快
速提供剛度參數(shù)，可以縮短管道整體分析及截面分析的時(shí)間周期，對(duì)管線的線型和動(dòng)力響應(yīng)分析具有巨大的實(shí)用價(jià)值，有助于推廣海洋纖維增強(qiáng)柔性管的工程應(yīng)用，提高在海洋纖維增強(qiáng)柔性管設(shè)計(jì)、分析和安裝方面的技術(shù)水平。
[0073]
其中，第一剛度矩陣為：通過預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)建立的剛度矩陣，第二剛度矩陣為：第一剛度矩陣經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)到笛卡爾坐標(biāo)系下，得到的轉(zhuǎn)換后的剛度矩陣。
[0074]
其中，所述預(yù)設(shè)值為預(yù)設(shè)軸向剛度，即用戶所需的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度。
[0075]
較優(yōu)地，所述截面幾何參數(shù)具體包括：管道內(nèi)徑、內(nèi)護(hù)套層厚度、外護(hù)套層厚度、復(fù)合材料鋪層的單層厚度、復(fù)合材料鋪層的層數(shù)和復(fù)合材料各鋪層的纖維鋪設(shè)角度；所述材料參數(shù)具體包括：內(nèi)護(hù)套層、外護(hù)套層各向同性材料的彈性模量和泊松比，復(fù)合材料的彈性模量、泊松比和剪切模量。
[0076]
其中，同性材料包括一個(gè)彈性模量和一個(gè)泊松比；復(fù)合材料包括三個(gè)彈性模量、三個(gè)泊松比和三個(gè)剪切模量。
[0077]
較優(yōu)地，所述第一剛度矩陣s：
[0078][0079]
其中，σ1為纖維方向的主應(yīng)力，σ2為纖維面內(nèi)切向的主應(yīng)力，σ3為纖維面外切向的主應(yīng)力，τ
23
為與纖維方向垂直平面的切應(yīng)力，τ
13
為與纖維方向平行的平面外的切應(yīng)力，τ
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的切應(yīng)力，ε1為纖維方向的主應(yīng)變，ε2為纖維面內(nèi)切向的主應(yīng)變，ε3為纖維面外切向的主應(yīng)變，γ
23
為與纖維方向垂直平面的切應(yīng)變，γ
13
為與纖維方向平行的平面外的切應(yīng)變，γ
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的切應(yīng)變；
[0080]
其中，所述第一剛度矩陣s中的各個(gè)元素按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：
[0081][0082]
其中，e1為纖維方向的彈性模量，e2纖維面內(nèi)切向的彈性模量，e3為纖維面外切向的彈性模量，g
23
為與纖維方向垂直平面的剪切模量，g
13
為與纖維方向平行的平面外的剪切模量，g
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的剪切模量，v
21
、v
31
和v
23
為材料主坐標(biāo)系下的三個(gè)泊松比。
[0083]
如圖2所示，具體地，在v
21
中，2方向?yàn)榧虞d(受力)方向，1方向?yàn)閼?yīng)變方向；在v
31
中，3方向?yàn)榧虞d(受力)方向，1方向?yàn)閼?yīng)變方向；在v
23
中，2方向?yàn)榧虞d(受力)方向，3方向?yàn)?br/>應(yīng)變方向。
[0084]
需要說明的是，材料主坐標(biāo)系下1方向?yàn)槔w維方向，2方向?yàn)槔w維面內(nèi)切向；3方向?yàn)槔w維面外切向。對(duì)于內(nèi)外護(hù)套層的各向同性材料，由于關(guān)于任意一點(diǎn)具有無窮多個(gè)對(duì)稱面，因此可以按照所述第一剛度矩陣和所述柔度矩陣的變換關(guān)系進(jìn)行處理。
[0085]
較優(yōu)地，所述s2具體包括：
[0086]
基于預(yù)設(shè)推導(dǎo)公式得到所述鋪設(shè)角度矩陣和每一鋪層的所述柔度矩陣對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
和剪切耦合系數(shù)η，其中，所述預(yù)設(shè)推導(dǎo)公式為：
[0087][0088]
其中，c
12
，c
13
，c
23
，c
22
和c
66
為所述柔度矩陣c中的元素，a＝cosθ，b＝sinθ，θ為每一鋪層的所述鋪設(shè)角度，所述柔度矩陣c為：c＝s-1
；所述鋪設(shè)角度矩陣θ為：θ＝[θ1?…?
θi?…?
θn]，其中，θi為第i鋪層鋪設(shè)角度，所述內(nèi)外護(hù)套層的鋪設(shè)角度為0度。
[0089]
具體地，如圖3所示，管道軸向?yàn)閤方向，y方向?yàn)殇亴迎h(huán)向，z方向垂直于xy平面為徑向，應(yīng)變?chǔ)舮，εz和γ
xy
，ε
x
之間的關(guān)系可以表達(dá)如下：
[0090][0091]
上式中，ε
x
為軸向應(yīng)變，εy為環(huán)向應(yīng)變，εz為徑向應(yīng)變，γ
xy
為xy平面內(nèi)的切應(yīng)變。v
xy
，v
xz
和η根據(jù)鋪層的柔度矩陣及該鋪層的纖維鋪設(shè)角度計(jì)算得到：
[0092][0093]
需要說明的是，由于內(nèi)外護(hù)套層各向同性材料中不存在纖維，在運(yùn)用材料主坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算時(shí)，假設(shè)鋪設(shè)角度為零度。
[0094]
較優(yōu)地，所述s3具體包括：
[0095]
根據(jù)剛度矩陣轉(zhuǎn)換公式將每一鋪層的所述第一剛度矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到所述第二剛度矩陣，其中，q為第二剛度矩陣，t為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，所述剛度矩陣轉(zhuǎn)換公式為q＝t-1
st，t的具體形式為：
[0096][0097]
具體地，根據(jù)上述t的坐標(biāo)得到轉(zhuǎn)換后的q的具體形式為：
[0098][0099]
較優(yōu)地，所述平衡方程為：其中，f為軸向拉力載荷，l為管道的軸向長(zhǎng)度，δl軸向伸長(zhǎng)量；
[0100]
u為所述總應(yīng)變能，ui為每一鋪層的應(yīng)變能，ε
x
＝δl/l，q
11
，q
12
，q
13
，q
16
，q
21
，q
22
，q
23
，q
26
，q
31
，q
32
，q
33
，q
36
，q
61
，q
62
，q
63
和q
66
為所述第二剛度矩陣中的元素，其中，r1為內(nèi)徑，r
n+1
為外徑，ri為第i層內(nèi)徑，根據(jù)多個(gè)所述內(nèi)徑構(gòu)建半徑矩陣r，r＝[r
1 r2?…?ri
?…?rn r
n+1
]；
[0101]
根據(jù)所述平衡方程得到：
[0102][0103]
所述軸向剛度計(jì)算公式為：
[0104][0105]
其中，ea為所述軸向剛度。
[0106]
具體地，s4包括如下步驟：
[0107]
s41、求得單位長(zhǎng)度海洋纖維增強(qiáng)柔性管在軸向拉伸載荷工況下，預(yù)設(shè)拉力的做功為：
[0108][0109]
s42、求得海洋纖維增強(qiáng)柔性管在軸向拉伸載荷工況下，管道的總應(yīng)變能。首先，計(jì)算每一鋪層的應(yīng)變能，每一鋪層的應(yīng)變能的計(jì)算公式為：
[0110][0111]
s43、根據(jù)每一鋪層的應(yīng)變能，得到總應(yīng)變能，總應(yīng)變能的計(jì)算公式為：
[0112][0113]
s44、根據(jù)能量法，外力做功等于海洋纖維增強(qiáng)柔性管內(nèi)部增加的應(yīng)變能，因此建立如下平衡方程：
[0114][0115]
s45、根據(jù)上述s41-s44的方程推導(dǎo)的得出：
[0116][0117]
s46、由s45計(jì)算得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度計(jì)算公式：
[0118][0119]
具體地，例如以工作溫度為25℃，水介質(zhì)，設(shè)計(jì)壓力為10mpa，100米水深，管道內(nèi)徑為47.5mm的注水管道為例簡(jiǎn)要說明該纖維增強(qiáng)柔性管的設(shè)計(jì)步驟。項(xiàng)目要求管道的軸向剛度應(yīng)達(dá)到2000kn。
[0120]
首先，選定內(nèi)襯層、纖維增強(qiáng)層和外部護(hù)套層的材料。其中，內(nèi)襯層和外部護(hù)套層選用高密度聚乙烯(hdpe)材料，纖維增強(qiáng)層采用體積分?jǐn)?shù)為60％的玻纖帶，單層厚度為0.25mm，材料參數(shù)如表1所示。第一次運(yùn)算設(shè)定內(nèi)徑為47.5mm，內(nèi)襯層厚度2mm，外部護(hù)套層厚度4mm，4層玻纖增強(qiáng)層，纏繞角度為55
°
/-55
°
交替纏繞。
[0121]
表1材料參數(shù)表
[0122][0123]
根據(jù)步驟s1-s5，計(jì)算管道軸向剛度，得到該截面設(shè)計(jì)方案下的管道軸向剛度為1869.5kn，小于2000kn，不滿足設(shè)計(jì)要求。
[0124]
調(diào)整纖維增強(qiáng)層層數(shù)，將纖維增強(qiáng)層由4層增加到6層，其他參數(shù)保持不變。
[0125]
按照步驟s1-s5，重新計(jì)算，得到管道的軸向剛度為2237.5kn，大于2000kn，滿足設(shè)計(jì)要求。
[0126]
計(jì)算本實(shí)施例中的纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度時(shí)，本方法采用matlab計(jì)算耗時(shí)僅為0.09秒，而采用abaqus進(jìn)行有限元計(jì)算，建模及電腦運(yùn)算需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)，拉伸實(shí)驗(yàn)由于試件的加工工裝及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試則需要花費(fèi)數(shù)周時(shí)間。因此，本方法極大地提高了計(jì)算效率，降低了時(shí)間成本。
[0127]
在計(jì)算準(zhǔn)確度方面，對(duì)于第一次運(yùn)算中4層纖維增強(qiáng)層的設(shè)計(jì)方案，采用abaqus進(jìn)行有限元計(jì)算的結(jié)果為1905.0kn，本發(fā)明的誤差為-1.9％；對(duì)于第二次運(yùn)算中6層纖維增強(qiáng)層的設(shè)計(jì)方案，有限元計(jì)算結(jié)果為2334.6kn，本發(fā)明的誤差為-4.2％。因此，本發(fā)明具有較高的計(jì)算精度。
[0128]
如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算系統(tǒng)200，包括：
[0129]
包括：創(chuàng)建模塊210、第一處理模塊220、轉(zhuǎn)換模塊230、第二處理模塊240和循環(huán)模塊250；
[0130]
所述創(chuàng)建模塊210用于：根據(jù)對(duì)海洋纖維增強(qiáng)柔性管所預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)建立每一鋪層的第一剛度矩陣和柔度矩陣，并根據(jù)對(duì)所述海洋纖維增強(qiáng)柔性管所預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)建立半徑矩陣和鋪設(shè)角度矩陣；
[0131]
所述第一處理模塊220用于：基于所述鋪設(shè)角度矩陣和每一鋪層的所述柔度矩陣
得到每一鋪層對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
和剪切耦合系數(shù)η；
[0132]
所述轉(zhuǎn)換模塊230用于：將每一鋪層的所述第一剛度矩陣進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到每一鋪層的第二剛度矩陣；
[0133]
所述第二處理模塊240用于：計(jì)算所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的總應(yīng)變能，并基于拉力做功等于所述總應(yīng)變能時(shí)建立的平衡方程得到軸向剛度計(jì)算公式，將所述半徑矩陣和所述每一鋪層對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
、剪切耦合系數(shù)η、第二剛度矩陣代入所述軸向剛度計(jì)算公式，得到所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度；
[0134]
所述循環(huán)模塊250用于：判斷所述軸向剛度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，若否，調(diào)整所述預(yù)設(shè)的初始材料參數(shù)和所述預(yù)設(shè)的初始截面幾何參數(shù)，并返回執(zhí)行s1，直至所述軸向剛度達(dá)到所述預(yù)設(shè)值，根據(jù)達(dá)到所述預(yù)設(shè)值時(shí)對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)和截面幾何參數(shù)，得到所述海洋纖維增強(qiáng)柔性管的初步設(shè)計(jì)方案。
[0135]
本實(shí)施例基于復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分別求解管道拉力做功和管道增加的應(yīng)變能，利用能量法的功能守恒原理建立海洋纖維增強(qiáng)柔性管在軸向拉伸載荷下的平衡方程，滿足拉力做功等于總應(yīng)變能的增加量，進(jìn)一步推導(dǎo)得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算公式，通過matlab編程，以循環(huán)累加的方式計(jì)算得到海洋纖維增強(qiáng)柔性管的軸向剛度。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，相較實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬，該系統(tǒng)建立起管道截面幾何參數(shù)、材料參數(shù)與軸向剛度之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以應(yīng)用于對(duì)管道的內(nèi)徑、鋪層層數(shù)、壁厚、纖維鋪設(shè)角度、材料種類等的直接篩選，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道截面的定向設(shè)計(jì)，在短期內(nèi)獲得滿足截面要求的初步設(shè)計(jì)方案；其次，該系統(tǒng)具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，在計(jì)算管道剛度方面可以降低成本，提高效率，對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)及工程應(yīng)用具有重要意義；最后，本實(shí)施例能為管道整體分析快速提供剛度參數(shù)，可以縮短管道整體分析及截面分析的時(shí)間周期，對(duì)管線的線型和動(dòng)力響應(yīng)分析具有巨大的實(shí)用價(jià)值，有助于推廣海洋纖維增強(qiáng)柔性管的工程應(yīng)用，提高在海洋纖維增強(qiáng)柔性管設(shè)計(jì)、分析和安裝方面的技術(shù)水平。
[0136]
較優(yōu)地，所述截面幾何參數(shù)具體包括：管道內(nèi)徑、內(nèi)護(hù)套層厚度、外護(hù)套層厚度、復(fù)合材料鋪層的單層厚度、復(fù)合材料鋪層的層數(shù)和復(fù)合材料各鋪層的纖維鋪設(shè)角度；所述材料參數(shù)具體包括：內(nèi)護(hù)套層、外護(hù)套層各向同性材料的彈性模量和泊松比，復(fù)合材料的彈性模量、泊松比和剪切模量。
[0137]
較優(yōu)地，所述第一剛度矩陣s：
[0138][0139]
其中，σ1為纖維方向的主應(yīng)力，σ2為纖維面內(nèi)切向的主應(yīng)力，σ3為纖維面外切向的主應(yīng)力，τ
23
為與纖維方向垂直平面的切應(yīng)力，τ
13
為與纖維方向平行的平面外的切應(yīng)力，τ
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的切應(yīng)力，ε1為纖維方向的主應(yīng)變，ε2為纖維面內(nèi)切向的主應(yīng)變，ε3為纖維面外切向的主應(yīng)變，γ
23
為與纖維方向垂直平面的切應(yīng)變，γ
13
為與纖維方向平行的平面外的切應(yīng)變，γ
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的切應(yīng)變；
[0140]
其中，所述第一剛度矩陣s中的各個(gè)元素按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：
[0141][0142]
其中，e1為纖維方向的彈性模量，e2纖維面內(nèi)切向的彈性模量，e3為纖維面外切向的彈性模量，g
23
為與纖維方向垂直平面的剪切模量，g
13
為與纖維方向平行的平面外的剪切模量，g
12
為與纖維方向平行的平面內(nèi)的剪切模量，v
21
、v
31
和v
23
為材料主坐標(biāo)系下的三個(gè)泊松比。
[0143]
較優(yōu)地，所述第一處理模塊220具體用于：
[0144]
基于預(yù)設(shè)推導(dǎo)公式得到所述鋪設(shè)角度矩陣和每一鋪層的所述柔度矩陣對(duì)應(yīng)的第一泊松比v
xy
、第二泊松比v
xz
和剪切耦合系數(shù)η，其中，所述預(yù)設(shè)推導(dǎo)公式為：
[0145][0146]
其中，c
12
，c
13
，c
23
，c
22
和c
66
為所述柔度矩陣c中的元素，a＝cosθ，b＝sinθ，θ為每一鋪層的所述鋪設(shè)角度，所述柔度矩陣c為：c＝s-1
；所述鋪設(shè)角度矩陣θ為：θ＝[θ1?…?
θi?…?
θn]，其中，θi為第i鋪層鋪設(shè)角度，所述內(nèi)外護(hù)套層的鋪設(shè)角度為0度。
[0147]
上述關(guān)于本發(fā)明的一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算系統(tǒng)200中的各參數(shù)和各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的步驟，可參考上文中關(guān)于一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法的實(shí)施例中的各參數(shù)和步驟，在此不做贅述。
[0148]
本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行上文中一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法的實(shí)施例中的步驟，具體可參考上文中一種海洋纖維增強(qiáng)柔性管軸向剛度計(jì)算方法的實(shí)施例中的各參數(shù)和步驟，在此不做贅述。
[0149]
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)為方法、系統(tǒng)和電子設(shè)備。
[0150]
因此，本發(fā)明可以具體實(shí)現(xiàn)為以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的軟件(包括固件、駐留軟件、微代碼等)，還可以是硬件和軟件結(jié)合的形式，本文一般稱為“電路”、“模塊”或“系統(tǒng)”。此外，在一些實(shí)施例中，本發(fā)明還可以實(shí)現(xiàn)為在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可
讀介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式，該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中包含計(jì)算機(jī)可讀的程序代碼?？梢圆捎靡粋€(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀的介質(zhì)的任意組合。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以是計(jì)算機(jī)可讀信號(hào)介質(zhì)或者計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)例如可以是但不限于——電、磁、光、電磁、紅外線、或半導(dǎo)體的系統(tǒng)、裝置或器件，或者任意以上的組合。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)的更具體的例子(非窮舉的列表)包括：具有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)線的電連接、便攜式計(jì)算機(jī)磁盤、硬盤、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)，只讀存儲(chǔ)器(rom)、可擦式可編程只讀存儲(chǔ)器(eprom或閃存)、光纖、便攜式緊湊磁盤只讀存儲(chǔ)器(cd-rom)、光存儲(chǔ)器件、磁存儲(chǔ)器件、或者上述的任意合適的組合。在本文件中，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)可以是任何包含或存儲(chǔ)程序的有形介質(zhì)，該程序可以被指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或者器件使用或者與其結(jié)合使用。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。