一种J型铺管作业模型建模仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种J型铺管作业模型建模仿真方法，包括以下几个步骤，步骤一：基于集中质量法建立J型铺管模型；步骤二：建立J型管道内力模型；步骤三：建立J型管道外力模型；步骤四：结合边界条件建立铺管船运动对J型管道的动力影响模型。本发明专利技术提供一种快速的建模方法，仿真速度上可以满足J型铺管作业模拟器的实时仿真要求，其仿真结果能够快速指导现场施工人员施工，以及对海洋工程中J型管道铺设设计人员提供良好的参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铺管作业领域，尤其涉及一种J型铺管作业模型建模仿真方法。
技术介绍
利用J型铺管作业模拟器进行实际工程前的培训，可以大大提高铺管作业的工作 效率，提前预报及避免风险，提高经济效益，并且还可以对极限工况进行模拟仿真，验证铺 管船的铺设能力。然而J型铺管数学模型是建立J型铺管作业模拟器必不可少的，其建模 仿真方法也由于解算速度的严格要求使得难度大大提升。J型管道在铺设中的变形实际上是大绕度、非线性、弹性形变，属于几何非线性的 范畴。目前J型铺管模型建模常用的方法主要有自然悬链线法、钢悬链线法、奇异摄动法、 有限差分法、非线性有限元法等。这些方法在求解精度、求解时间及实用范围上存在各自的 局限性。自然悬链线法、钢悬链线法和奇异摄动法仅适用于管道的静态分析计算，不能够准 确的计算由于船舶加速度及海洋环境引起的动态外力。有限差分法和非线性有限元法虽然 能够计算动态外力，但由于解算方法的限制，使得计算效率大大降低，不能够满足实时仿真 的要求。现在比较常用的管道分析计算软件Riflex、Offpipe和Orcaflex，它们均基于有 限元法对管道的静力学和动力学进行比较准确的分析，然而由于采用有限元法的限制不能 用于需要实时仿真J型铺管作业模拟器中。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有快速性、准确性，并且可用于实时仿真的，J型铺管 作业模型建模仿真方法。 -种J型铺管作业模型建模仿真方法，包括以下几个步骤，步骤一：基于集中质量法建立J型铺管模型； 步骤二：建立J型管道内力模型； 步骤三：建立J型管道外力模型；步骤四：结合边界条件建立铺管船运动对J型管道的动力影响模型。 本专利技术一种J型铺管作业模型建模仿真方法，还可以包括： 1、基于集中质量法建立J型铺管模型的方法为： 将管道分为n份n+1个节点，将质量及作用力集中在每个节点上，对各个节点的运 动与受力进行求解，节点i的受力包括：惯性力<、第i节点的内张力巧、内部阻尼力K以 及拖曳力S，第i+1节点的内张力if1、内部阻尼力以及拖曳力€+1，浮力S，重力W，第i节点受力平衡方程为：当每单元管道质量为m时，第i节的惯性力为 其中质量矩阵，第i节点加速度分解为，其中文表 示为水平方向的加速度，&表示为垂直方向的加速度。 2、管道内力包括管道内张力和管道内部阻尼力， 第i节点内张力为： 其中，拉为第i节点沿着水平方向内张力，尽为第i节点沿着垂直方向内张力， 为离散管道单元长度，巾内张力与水平方向的夹角，Xi，^分别为第i节点水平方向 与垂直方向位移，Xg，2^分别为第i-1节点水平方向与垂直方向位移，Ke为弹簧系数， 其中，心管道横截面积，E为杨氏模量， 第i节点内部阻尼为： 其中，<为第i节点沿着水平方向内部阻尼，/^为第i节点沿着垂直方向内部阻 尼，Cv为内部阻尼系数。 3、管道外力包括：拖曳力、管道重力和浮力， 第i个节点的拖曳力： 为沿着管道方向的拖曳力，为垂直管道方向的拖曳力，PWS海水的密度，d 为管 道的直径，F/为沿着管道方向的相对速度，G为垂直管道方向的相对速度， (：〇，(；,1为沿着管道和垂直管道方向的拖曳力系数，(^/(,^〇为固定坐标系下海 流的横向速 度和竖直速度， 第i节点的浮力和重力为： 其中：Pp管道的密度，ve每个单元节点管道的体积，g为重力加速度，m为每个单 元节点管道的质量。 4、边界条件为： 节点0为管道在托管架的脱离点，与托管架具有相同的位移、速度和加速度，在海 底面节点n的垂向位移为水深，横向位移为0、速度和加速度都为0 ;且任意节点的垂向位移 都小于水深。 有益效果： 本专利技术与现有技术相比，其显著优点：（1)可以进行J型管道的静力学与动力学 分析仿真；（2)能够考虑船舶运动对管道的形状和应力的影响；（3)具有仿真快速准确性的 特点，可以用于实时仿真；(4)数学模型预留了与模拟操作系统的接口，可以方便的应用在 J型操作模拟器中；（5)能够快速指导现场施工人员施工，对海洋工程中管道铺设设计人员 提供良好的参考。【附图说明】 图1是本专利技术J型铺管作业示意图；图2是本专利技术管道集中质量转化道模型图；图3是本专利技术第i节点受力仿真分析图；图4是本专利技术管道静力仿真分析图；图4(a)为管道形态仿真图；图4(b)为节点张 力仿真图； 图5是本专利技术铺管船在托管架端点出运动时历图；图5(a)为水平方向运动时历 图；图5(b)为垂直方向运动时历图；图6是本专利技术管道动力分析图；图6(a)为管道形态仿真图；图6(b)为节点张力仿 真图；图7是实施例中管道具体参数表。【具体实施方式】 下面将结合附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术一种J型铺管作业模型建模仿真方法，采用集中质量法对J型管道进行离 散，以铺管船运动与海底为边界条件，在考虑海流环境对管道影响以及管道的伸缩性情况 下建立J型管道模型，从而实现能够准确的对管道进行静力和动力分析，且仿真速度上可 以满足J型铺管作业模拟器的实时仿真要求的建模方法，其仿真结果够快速指导现场施工 人员施工，以及对海洋工程中J型管道铺设设计人员提供良好的参考。本专利技术的目的是提供一种J型铺管作业模型建模仿真方法，主要用于J型铺管作 业模拟器中管道实时运动仿真数据的提供，仿真结果快速指导现场施工人员施工以及对海 洋工程中管道铺设设计人员提供良好的参考。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案： 一种J型铺管作业模型建模仿真方法，采用集中质量法对J型管道进行离散，以铺管船运动 与海底为边界条件，在考虑海流环境对管道影响以及管道的伸缩性情况下建立J型管道模 型，从而实现能够准确的对管道进行静力和动力分析，且仿真速度上可以满足J型铺管作 业模拟器的实时仿真要求的建模方法。 -种J型铺管作业模型建模仿真方法，步骤如下： 第一步，建模方法基于集中质量法建立J型铺管模型，将管道分为n份n+1个节 点，将质量及作用力集中在每个节点上，利用解析方法进行仿真求解。 步骤一利用解析方法对各个节点的运动与受力进行求解的方法如下：a)建立J型管道离散模型及坐标系，将管道分为n份n+1个节点，将质量及作用力 集中在每个节点上，如图2所示：固定坐标系：坐标轴ox在水平面内，指向东为正，坐标轴 〇z向下，原点海底面的第n个节点x= 0,如图2所示。 b)建立管道微分方程，节点i的受力分析如图3所示，节点i的受力包括：惯性 力<、第i节点的动态内张力戽、内部阻尼力g以及拖曳力第i+1节点动态内张力 片+1、内部阻尼力F/+1以及拖曳力〇+1，浮力Fj，重力W。由此第i节点受力平衡方程为： 惯性力 设每单元管道质量为m，则第i个节点的惯性力S表示为： 其中质量矩阵: 第i节点加速度分解为：，其中^表示为水平方向的加速度，為表 示为垂直方向的加速度。 第二步，建立J型管道内力模型，将管道的内力分为管道内张力和管道内阻尼力， 管道内张力采用弹簧模型，能够考虑管道拉伸伸长的因素，根据管道的材料属性求解管道 的张力系数，应用Hook定律求解内张力，在求解管道的阻尼力时，应用管道的张力系数和 管道的材料属性求解管道阻尼系数，并给予相邻两节点的运动加速度求解出管道阻尼力。 步骤二利用Hook定律求解内张力和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种J型铺管作业模型建模仿真方法，其特征在于：包括以下几个步骤，步骤一：基于集中质量法建立J型铺管模型；步骤二：建立J型管道内力模型；步骤三：建立J型管道外力模型；步骤四：结合边界条件建立铺管船运动对J型管道的动力影响模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩端锋，昝英飞，宋磊，袁利毫，丁松，刘明昊，白晓龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23