[发明专利]一种J型铺管作业模型建模仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于铺管作业领域，尤其涉及一种J型铺管作业模型建模仿真方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

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节点的内张力内部阻尼力以及拖曳力第i+1节点的内张力内部阻尼力以及拖曳力浮力重力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，为第i节点沿着水平方向内张力，为第i节点沿着垂直方向内张力，L_e为离散管道单元长度，φ_i为内张力与水平方向的夹角，x_i，z_i分别为第i节点水平方向与垂直方向位移，x_i-1，z_i-1分别为第i-1节点水平方向与垂直方向位移，K_e为弹簧系数，

其中，A_e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，C_v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，ρ_w为海水的密度，d为管

道的直径，为沿着管道方向的相对速度，为垂直管道方向的相对速度，

C_τ,i,C_n,i为沿着管道和垂直管道方向的拖曳力系数，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：

W＝[0 m_eg]^T

其中：ρ_p管道的密度，v_e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：