【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋油气开采，具体涉及高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法。
技术介绍
1、自20世纪70年代以来，柔性立管广泛应用于海洋环境下流体输送系统。与刚性立管相比，柔性立管拥有更强的适应性、更低的安装成本和更优秀的疲劳性能。这种优秀的性能来源于柔性立管的结构——由提供密封的聚合物层和提供强度的螺旋层交替组合构成，层与层之间存在相对滑动。
2、然而，柔性立管存在复杂的几何结构，以及大量的接触关系，使得有限元方法的使用成本极高，而大尺度下的柔性立管仿真更是极具挑战。与此同时，目前柔性立管在更为复杂场景中的使用导致了新的失效模式出现，例如螺旋钢带的屈曲，这将威胁到立管系统长期的完整性。
3、同时，非粘结柔性立管在工作状态下可能受到多种载荷的共同作用，如重力、浮力、海水压力、介质压力、水流冲击等等。这些载荷可以统一简化为拉伸、弯曲、扭转和内外压等五种载荷，分析这五种载荷共同作用下柔性立管的力学响应，可以帮助研究人员更加全面的理解立管系统的行为，为工程设计、材料选择和性能优化提供更精确的指导。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：提供高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，用于实现对大尺度下非粘结柔性立管在拉伸、弯曲、扭转和内外压载荷下力学响应的研究。
2、本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，包括以下步骤：
3、s1：建立不同层数立管模
4、s2：建立参数化弹塑性本构模型，使弹塑性本构模型的响应与立管模型的代表性体积单元rve的迟滞回线一致；
5、s3：根据步骤s2的弹塑性本构模型建立用户自定义单元uel，使用用户自定义单元uel建立大尺度下的非粘结均匀化柔性立管模型并进行分析研究。
6、按上述方案，所述的步骤s1中，加载代表性体积单元rve是通过在立管模型外建立随机的鬼点，采用多点约束法mpc在离散化模型的部分节点与鬼点之间建立运动学关系，从而控制模型的边界条件。
7、进一步的，所述的步骤s1中，设分别表示所描述节点在方向的位移，为所描述节点的初始坐标，为材料泊松比，分别为立管的轴向应变、对轴的曲率、对轴的曲率和对轴的曲率，为立管的轴向截面上内外表面处的径向应变，分别表示立管的内表面和外表面；在全局坐标系下，立管轴向与z轴方向平行时，所述控制方程如下：
8、。
9、进一步的，所述的步骤s1中，针对代表性体积单元rve设计包括拉伸、弯曲和扭转的工况，每种工况包括内外压载荷；使用鬼点的自由度分别表示。
10、按上述方案，所述的步骤s1中，设为应变能的增量，为代表性体积单元的轴向长度，是与对应的力矩，为轴向力，为时内外压载荷产生的轴向力，和分别为内外压，，和为立管内外半径，；鬼点的力与位移存在如下关系：
11、。
12、按上述方案，所述的步骤s2中，设分别为等效弹性模量和等效剪切模型，分别为等效截面面积，等效惯性矩和等效极惯性矩，分别为、和对迟滞的影响系数，和为塑性演化过程的中间变量；弹塑性本构模型的特征通过以下方程描述：
13、
14、
15、通过调整参数使本构模型的响应与rve的迟滞回线一致。
16、按上述方案，所述的步骤s3中，用户自定义单元uel为2节点12自由度的欧拉-伯努利梁单元，每一个节点包含3个位移自由度和3个转动自由度，用于模拟立管受拉伸、弯曲、扭转和内外压载荷的工况。
17、进一步的，所述的步骤s3中，
18、设为梁单元形函数，为梁单元的总能量，为梁单元刚度矩阵，为梁单元的广义位移；用户自定义单元uel刚度矩阵的推导过程为：
19、。
20、一种高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟系统，该系统包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法的步骤。
21、一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法。
22、本专利技术的有益效果为：
23、1.本专利技术的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，基于abaqus建立不同层数立管模型的rve并使用mpc施加复杂周期性边界条件，得到立管的迟滞回线；使用自提出弹塑性本构模型并使用fortran语言编写运行程序，通过调整该本构模型的参数，使弹塑性本构模型的响应与立管rve的迟滞回线一致；根据弹塑性本构模型建立适用于abaqus的uel，使用uel建立大尺度均匀化立管模型并进行分析研究；实现了对大尺度下非粘结柔性立管在拉伸、弯曲、扭转和内外压载荷下力学响应的研究的功能。
24、2.本专利技术建立均匀化立管模型的rve并使用mpc加载复杂周期性边界条件得到其迟滞回线，排除了直接在模型上施加载荷造成的应力集中，使迟滞回线更符合实际情况；创建的弹塑性本构模型，充分考虑了拉伸、弯曲、扭转、内外压等不同载荷对于立管力学响应的影响，使后续建立的uel更具有普适性和代表性；解决了现有技术中对非粘结柔性立管仿真分析局限性问题，更加全面的理解非粘结立管模型在复杂工况下的力学行为，为工程设计、材料选择和性能优化提供了更精确的指导。
25、3.本专利技术通过将代表性体积单元与大尺度下立管模型结合，充分考虑了拉伸、弯曲、扭转、内外压等不同载荷对于立管力学响应的影响；创建的uel具有高度灵活性，在保持基本框架不变的情况下，只需要修改其中部分参数即可实现对同类型立管模型的模拟；有效解决了大尺度下立管模型计算成本高的难题，具有广泛的适用性和可推广性。
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1.高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤S1中，加载代表性体积单元RVE是通过在立管模型外建立随机的鬼点，采用多点约束法MPC在离散化模型的部分节点与鬼点之间建立运动学关系，从而控制模型的边界条件。
3.根据权利要求2所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤S1中，设分别表示所描述节点在方向的位移，为所描述节点的初始坐标，为材料泊松比，分别为立管的轴向应变、对轴的曲率、对轴的曲率和对轴的曲率，为立管的轴向截面上内外表面处的径向应变，分别表示立管的内表面和外表面；在全局坐标系下，立管轴向与Z轴方向平行时，所述控制方程如下：
4.根据权利要求3所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤S1中，针对代表性体积单元RVE设计包括拉伸、弯曲和扭转的工况，每种工况包括内外压载荷；使用鬼点的自由度分别表示。
5.根据权利要求1所述
6.根据权利要求1所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤S2中，设分别为等效弹性模量和等效剪切模型，分别为等效截面面积，等效惯性矩和等效极惯性矩，分别为、 和对迟滞的影响系数，和为塑性演化过程的中间变量；弹塑性本构模型的特征通过以下方程描述：
7.根据权利要求1所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤S3中，用户自定义单元UEL为2节点12自由度的欧拉-伯努利梁单元，每一个节点包含3个位移自由度和3个转动自由度，用于模拟立管受拉伸、弯曲、扭转和内外压载荷的工况。
8.根据权利要求7所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤S3中，
9.一种高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟系统，该系统包括处理器和存储器，其特征在于：所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该系统实现如权利要求1至权利要求8中任意一项所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法的步骤。
10.一种计算机存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1至权利要求8中任意一项所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法。
...【技术特征摘要】
1.高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤s1中，加载代表性体积单元rve是通过在立管模型外建立随机的鬼点，采用多点约束法mpc在离散化模型的部分节点与鬼点之间建立运动学关系，从而控制模型的边界条件。
3.根据权利要求2所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤s1中，设分别表示所描述节点在方向的位移，为所描述节点的初始坐标，为材料泊松比，分别为立管的轴向应变、对轴的曲率、对轴的曲率和对轴的曲率，为立管的轴向截面上内外表面处的径向应变，分别表示立管的内表面和外表面；在全局坐标系下，立管轴向与z轴方向平行时，所述控制方程如下：
4.根据权利要求3所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤s1中，针对代表性体积单元rve设计包括拉伸、弯曲和扭转的工况，每种工况包括内外压载荷；使用鬼点的自由度分别表示。
5.根据权利要求1所述的高通量多尺度一体化的非粘结柔性立管力学性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤s1中，设为应变能的增量，为代表性体积单元的轴向长度，是与对应的力矩，为轴向力，为时内外压载荷产生的轴向力，和分别为内外压，，和为立管内外半径，；鬼点的力与位移存在如...
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