本發(fā)明屬于海洋油氣開采，具體涉及高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法。

背景技術：

1、自20世紀70年代以來，柔性立管廣泛應用于海洋環(huán)境下流體輸送系統(tǒng)。與剛性立管相比，柔性立管擁有更強的適應性、更低的安裝成本和更優(yōu)秀的疲勞性能。這種優(yōu)秀的性能來源于柔性立管的結構——由提供密封的聚合物層和提供強度的螺旋層交替組合構成，層與層之間存在相對滑動。

2、然而，柔性立管存在復雜的幾何結構，以及大量的接觸關系，使得有限元方法的使用成本極高，而大尺度下的柔性立管仿真更是極具挑戰(zhàn)。與此同時，目前柔性立管在更為復雜場景中的使用導致了新的失效模式出現(xiàn)，例如螺旋鋼帶的屈曲，這將威脅到立管系統(tǒng)長期的完整性。

3、同時，非粘結柔性立管在工作狀態(tài)下可能受到多種載荷的共同作用，如重力、浮力、海水壓力、介質壓力、水流沖擊等等。這些載荷可以統(tǒng)一簡化為拉伸、彎曲、扭轉和內外壓等五種載荷，分析這五種載荷共同作用下柔性立管的力學響應，可以幫助研究人員更加全面的理解立管系統(tǒng)的行為，為工程設計、材料選擇和性能優(yōu)化提供更精確的指導。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是：提供高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，用于實現(xiàn)對大尺度下非粘結柔性立管在拉伸、彎曲、扭轉和內外壓載荷下力學響應的研究。

2、本發(fā)明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，包括以下步驟：

3、s1：建立不同層數(shù)立管模型的代表性體積單元rve并進行前處理，在鬼點與模型節(jié)點之間通過多點約束法mpc施加復雜周期性邊界條件，通過鬼點的力-位移信息得到立管的遲滯回線；

4、s2：建立參數(shù)化彈塑性本構模型，使彈塑性本構模型的響應與立管模型的代表性體積單元rve的遲滯回線一致；

5、s3：根據(jù)步驟s2的彈塑性本構模型建立用戶自定義單元uel，使用用戶自定義單元uel建立大尺度下的非粘結均勻化柔性立管模型并進行分析研究。

6、按上述方案，所述的步驟s1中，加載代表性體積單元rve是通過在立管模型外建立隨機的鬼點，采用多點約束法mpc在離散化模型的部分節(jié)點與鬼點之間建立運動學關系，從而控制模型的邊界條件。

7、進一步的，所述的步驟s1中，設分別表示所描述節(jié)點在方向的位移，為所描述節(jié)點的初始坐標，為材料泊松比，分別為立管的軸向應變、對軸的曲率、對軸的曲率和對軸的曲率，為立管的軸向截面上內外表面處的徑向應變，分別表示立管的內表面和外表面；在全局坐標系下，立管軸向與z軸方向平行時，所述控制方程如下：

8、。

9、進一步的，所述的步驟s1中，針對代表性體積單元rve設計包括拉伸、彎曲和扭轉的工況，每種工況包括內外壓載荷；使用鬼點的自由度分別表示。

10、按上述方案，所述的步驟s1中，設為應變能的增量，為代表性體積單元的軸向長度，是與對應的力矩，為軸向力，為時內外壓載荷產生的軸向力，和分別為內外壓，，和為立管內外半徑，；鬼點的力與位移存在如下關系：

11、。

12、按上述方案，所述的步驟s2中，設分別為等效彈性模量和等效剪切模型，分別為等效截面面積，等效慣性矩和等效極慣性矩，分別為、和對遲滯的影響系數(shù)，和為塑性演化過程的中間變量；彈塑性本構模型的特征通過以下方程描述：

13、

14、

15、通過調整參數(shù)使本構模型的響應與rve的遲滯回線一致。

16、按上述方案，所述的步驟s3中，用戶自定義單元uel為2節(jié)點12自由度的歐拉-伯努利梁單元，每一個節(jié)點包含3個位移自由度和3個轉動自由度，用于模擬立管受拉伸、彎曲、扭轉和內外壓載荷的工況。

17、進一步的，所述的步驟s3中，

18、設為梁單元形函數(shù)，為梁單元的總能量，為梁單元剛度矩陣，為梁單元的廣義位移；用戶自定義單元uel剛度矩陣的推導過程為：

19、。

20、一種高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括處理器和存儲器，所述存儲器中存儲有計算機指令，所述處理器用于執(zhí)行所述存儲器中存儲的計算機指令，當所述計算機指令被處理器執(zhí)行時該系統(tǒng)實現(xiàn)高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法的步驟。

21、一種計算機存儲介質，其內存儲有可被計算機處理器執(zhí)行的計算機程序，該計算機程序執(zhí)行高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法。

22、本發(fā)明的有益效果為：

23、1.本發(fā)明的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，基于abaqus建立不同層數(shù)立管模型的rve并使用mpc施加復雜周期性邊界條件，得到立管的遲滯回線；使用自提出彈塑性本構模型并使用fortran語言編寫運行程序，通過調整該本構模型的參數(shù)，使彈塑性本構模型的響應與立管rve的遲滯回線一致；根據(jù)彈塑性本構模型建立適用于abaqus的uel，使用uel建立大尺度均勻化立管模型并進行分析研究；實現(xiàn)了對大尺度下非粘結柔性立管在拉伸、彎曲、扭轉和內外壓載荷下力學響應的研究的功能。

24、2.本發(fā)明建立均勻化立管模型的rve并使用mpc加載復雜周期性邊界條件得到其遲滯回線，排除了直接在模型上施加載荷造成的應力集中，使遲滯回線更符合實際情況；創(chuàng)建的彈塑性本構模型，充分考慮了拉伸、彎曲、扭轉、內外壓等不同載荷對于立管力學響應的影響，使后續(xù)建立的uel更具有普適性和代表性；解決了現(xiàn)有技術中對非粘結柔性立管仿真分析局限性問題，更加全面的理解非粘結立管模型在復雜工況下的力學行為，為工程設計、材料選擇和性能優(yōu)化提供了更精確的指導。

25、3.本發(fā)明通過將代表性體積單元與大尺度下立管模型結合，充分考慮了拉伸、彎曲、扭轉、內外壓等不同載荷對于立管力學響應的影響；創(chuàng)建的uel具有高度靈活性，在保持基本框架不變的情況下，只需要修改其中部分參數(shù)即可實現(xiàn)對同類型立管模型的模擬；有效解決了大尺度下立管模型計算成本高的難題，具有廣泛的適用性和可推廣性。

技術特征：

1.高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，其特征在于：所述的步驟s1中，加載代表性體積單元rve是通過在立管模型外建立隨機的鬼點，采用多點約束法mpc在離散化模型的部分節(jié)點與鬼點之間建立運動學關系，從而控制模型的邊界條件。

3.根據(jù)權利要求2所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，其特征在于：所述的步驟s1中，設分別表示所描述節(jié)點在方向的位移，為所描述節(jié)點的初始坐標，為材料泊松比，分別為立管的軸向應變、對軸的曲率、對軸的曲率和對軸的曲率，為立管的軸向截面上內外表面處的徑向應變，分別表示立管的內表面和外表面；在全局坐標系下，立管軸向與z軸方向平行時，所述控制方程如下：

4.根據(jù)權利要求3所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，其特征在于：所述的步驟s1中，針對代表性體積單元rve設計包括拉伸、彎曲和扭轉的工況，每種工況包括內外壓載荷；使用鬼點的自由度分別表示。

5.根據(jù)權利要求1所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，其特征在于：所述的步驟s1中，設為應變能的增量，為代表性體積單元的軸向長度，是與對應的力矩，為軸向力，為時內外壓載荷產生的軸向力，和分別為內外壓，，和為立管內外半徑，；鬼點的力與位移存在如下關系：

6.根據(jù)權利要求1所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，其特征在于：所述的步驟s2中，設分別為等效彈性模量和等效剪切模型，分別為等效截面面積，等效慣性矩和等效極慣性矩，分別為、?和對遲滯的影響系數(shù)，和為塑性演化過程的中間變量；彈塑性本構模型的特征通過以下方程描述：

7.根據(jù)權利要求1所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，其特征在于：所述的步驟s3中，用戶自定義單元uel為2節(jié)點12自由度的歐拉-伯努利梁單元，每一個節(jié)點包含3個位移自由度和3個轉動自由度，用于模擬立管受拉伸、彎曲、扭轉和內外壓載荷的工況。

8.根據(jù)權利要求7所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，其特征在于：所述的步驟s3中，

9.一種高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括處理器和存儲器，其特征在于：所述存儲器中存儲有計算機指令，所述處理器用于執(zhí)行所述存儲器中存儲的計算機指令，當所述計算機指令被處理器執(zhí)行時該系統(tǒng)實現(xiàn)如權利要求1至權利要求8中任意一項所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法的步驟。

10.一種計算機存儲介質，其特征在于：其內存儲有可被計算機處理器執(zhí)行的計算機程序，該計算機程序執(zhí)行如權利要求1至權利要求8中任意一項所述的高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法。

技術總結
本發(fā)明提供了高通量多尺度一體化的非粘結柔性立管力學性能模擬方法，基于ABAQUS建立不同層數(shù)立管模型的RVE并使用MPC施加復雜周期性邊界條件，得到立管的遲滯回線；使用自提出彈塑性本構模型并使用FORTRAN語言編寫運行程序，通過調整該本構模型的參數(shù)，使彈塑性本構模型的響應與立管RVE的遲滯回線一致；根據(jù)彈塑性本構模型建立適用于ABAQUS的UEL，使用UEL建立大尺度均勻化立管模型并進行分析研究；實現(xiàn)了對大尺度下非粘結柔性立管在拉伸、彎曲、扭轉和內外壓載荷下力學響應的研究的功能。本發(fā)明更加全面的理解非粘結立管模型在復雜工況下的力學行為，為工程設計、材料選擇和性能優(yōu)化提供更精確的指導。

技術研發(fā)人員：張剛,唐成,唐山,郭田福
受保護的技術使用者：武漢工程大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19