[发明专利]点蚀随机分布的圆柱壳数值模型的参数化构建方法

说明书

本发明公开了一种点蚀随机分布的圆柱壳数值模型参数化构建方法，先在有限元软件中对圆柱壳和点蚀坑的尺寸进行参数化设置，将圆柱壳的几何模型划分为大小均匀的几何网格，并将几何网格的角点处作为点蚀坑可能出现的位置；再产生随机数确定点蚀坑的位置及深度，每产生一个新的点蚀坑均须判断其是否与已有的点蚀坑发生重叠，如有重叠则重新产生随机数确定点蚀坑位置；利用点蚀坑的几何参数在圆柱壳上构造出点蚀坑的几何模型，建立点蚀坑随机分布的圆柱壳的整体几何模型；最后将整体几何模型分组，并对整体几何模型划分有限元网格，构建出点蚀随机分布的圆柱壳数值模型，本发明构建的数值模型具有普遍性和真实性。

技术领域

本发明涉及受点坑腐蚀构件的数值模型构建技术，具体是点坑腐蚀随机分布的圆柱壳数值模型的参数化构建方法，可模拟圆柱壳上的点蚀坑分布位置及壁厚损伤深度的随机状态，用于研究随机分布的点蚀损伤引起圆柱壳结构的应力集中问题，揭示点蚀损伤影响结构承载力的规律。

背景技术

桩基式平台的桩腿、海底管道等构件长期处于腐蚀性的海洋环境，腐蚀引起的构件承载力削弱在所难免，但因腐蚀机理复杂，揭示腐蚀引起的结构静、动力强度和疲劳寿命退化的机理正成为海洋油气开发、输送相关行业技术攻关的热点。一般腐蚀分为全面腐蚀和局部腐蚀两种，坑点腐蚀是典型的局部腐蚀(又称非均匀腐蚀)，是由于金属表面物理和化学的不均匀性所引起的，常见且危害极大，严重的坑点腐蚀可能使金属壳板穿透，会引起流体泄漏、火灾、爆炸、构件断裂、结构倒塌等事故。

在点蚀损伤构件的承载力研究方面，美国石油协会API579-1规范提出一个经验公式计算8种标准点蚀模态的金属管道的剩余强度，但在确定点蚀模态时人为因素影响过大。中国专利公开号为CN103558356A、名称为“一种含点蚀金属管道剩余强度的无缝表征模型”提出利用点蚀面积占有比m和剩余壁厚比Rwt两个参数表征包含并介于8种标准点蚀之间的点蚀模态，并将其引入API规范计算点蚀管道的剩余强度计算，但其并未对点蚀的分布模式作出本质的创新，无法体现点蚀分布模式的差异对构件承载力的影响。

点蚀是由环境腐蚀、结构应力腐蚀、材料缺陷等多种因素共同作用的结果，其在构件上的形态分布完全处于随机状态，在点蚀分布模型的研究方面还未取得有共识的成果。中国专利公告号为CN203132482U、名称为“一种点蚀坑深度测量仪”和中国专利公开号为CN103969472A、名称为“一种点蚀形成过程的原位观测装置及方法”的文献分别公开了测量点蚀坑深度和点蚀形成过程形貌特征原位动态观测装置及方法，中国专利公开号为CN102708588A的文献公开了一种金属平板点蚀损伤形貌三维重建方法，但这些测量仪器和方法均须采用复杂的成像设备、传感器和先进的计算工具等设备和配件，且测试过程和方法极为复杂，目前只能解决特定点蚀构件的模型构建问题，还无法为开展大量的科学研究提供所需的大批量计算模型。也正是因为实测点蚀数据设备的欠缺及其高昂的测试成本，至今还未见报道涉及建立较为真实的点蚀损伤构件模型的技术，限制了点蚀损伤影响结构承载力的研究进展。

构件的材料分布不均匀、海水冲刷的力度不均以及防腐层的分布都有可能造成非均匀腐蚀，且点蚀的产生是随机的。随着有限元软件和计算机技术的发展，利用数值模型代替高昂的实验模型开展理论研究已是一种趋势，可利用数值模型得到一些普遍的规律后指导物理模型实验，节省研究成本。但现有研究所采用的点蚀构件（仅板件有报道，圆柱壳还未见报道）数值模型，均只能通过在构件上均布或在指定位置上构建点蚀来研究点蚀对构件承载力的影响，所建立的数值模型具有特定性，缺乏普遍性，无法开展大量的理论研究和分析，也不符合实际观测到的点蚀分布状况。因此，有必要构建出随机分布点蚀损伤构件的模型，推进点蚀损伤结构强度的相关研究进展。

发明内容