顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法与流程

本发明涉及海洋工程设备中的顶张式立管分析技术领域，尤其是涉及一种顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法。

背景技术：

张紧器系统是海洋工程领域的关键装备，顶张式立管通过张紧器系统与浮式平台相连接。张紧器的作用是调节浮式平台对立管的巨大作用力，进而直接影响立管的整体响应，保护立管结构。张紧器可以保证立管在平台向下运动时避免受压屈曲，并在平台向上运动时起到缓冲作用。在顶张式立管的有限元分析过程中，需要对张紧器系统进行模拟，既要合理地模拟张紧器的张力-冲程关系特性，又要合理地处理浮式平台、张紧器和立管之间的关系进而将平台的运动正确地传递给立管顶部，这对于正确地预报顶张式立管的响应至关重要。

首先，目前关于液压张紧器的张力-冲程关系的模拟主要有三种方式：

(1)不考虑张紧器的张力随冲程的变化，简单地将张紧器处理为恒定张紧力；

(2)考虑了张紧器的张力随冲程的变化，但忽略张紧器张力与冲程的非线性关系，将张紧器模拟为一个刚度恒定的竖直弹簧；

(3)考虑了张紧器的张力与冲程的非线性关系，但仅将张紧器模拟为一个非线性的竖直弹簧。

上述三种模拟方式与实际工况下张紧器相比存在以下缺陷：1)没有考虑张紧器气柱和立管之间并非竖直，而是存在一定夹角；2)没有考虑张紧器包含四根气柱而非一根。因此现有处理方式无法真实地反映张紧器的张力-冲程关系特性，基于此建立的顶张式立管力学模型与实际不符，最终将导致所计算的顶张式立管的响应结果与实际响应之间存在较大偏差。

其次，关于浮式平台、张紧器和立管之间的关系的处理，目前的处理方法往往将浮式平台的运动直接施加在立管顶端或弹簧上，这种处理方式忽略了浮式的平台的刚体运动。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，为了克服上述现有技术，本发明提出了一种顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法。

本发明中运用更为合理的做法：将浮式平台处理为刚体，即在平台重心和平台甲板(即张紧器顶部)之间建立刚体连接，并在随后进行有限元分析时将平台的运动施加在平台的重心位置。这样才能将平台的运动通过平台重心-平台甲板(与张紧器顶端相连)-张力环(位于立管顶部)的方式正确地传递给立管顶部。

该方法不但能够合理地模拟张紧器的张力-冲程关系特性，而且能够正确地处理浮式平台、张紧器和立管之间的关系。本发明提出的模拟方法使得顶张式立管模型顶部受到的张力和运动更加符合实际，进而使得顶张式立管的有限元分析更加合理和准确。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法，涉及合理地模拟张紧器的张力-冲程关系特性以及正确地处理浮式平台、张紧器和立管之间的关系两个方面，具体包括以下步骤：

步骤S1、确定顶张式立管的结构属性、几何属性、材料属性以及立管水下部分和水上部分的分布情况；

步骤S2、计算顶张式立管水上部分的干重W_d和水下部分的湿重W_w。

步骤S3、确定张紧器的张力因子f。

步骤S4、计算张紧器的名义张力的竖直分量T_up＝W_d+f·W_w。

步骤S5、确定张紧器的气柱和立管之间的初始角度θ。

步骤S6、计算张紧器每一根气柱方向的名义张力

步骤S7、确定张紧器的气柱的长度L和绝热系数γ。

步骤S8、计算每根气柱的实际张力T和冲程x之间的关系

步骤S9、根据顶张式立管的相关属性，采用梁单元建立顶张式立管模型。

步骤S10、根据实际工况，在顶张式立管模型上确定张力环和扶正滚轮对应的位置。

步骤S11、确定浮式平台的重心位置和与张紧器顶端相连平台甲板的位置。

步骤S12、采用离散刚体单元，在浮式平台的重心位置和平台甲板的四个位置之间分别建立刚体连接，形成浮式平台刚体模型。

步骤S13、采用四个弹簧单元模拟张紧器系统的四个气柱，将立管模型上的张力环位置分别与浮式平台模型上的甲板位置相连接。

步骤S14、将步骤S7计算得到的气柱的张力-冲程关系，赋予步骤S13中建立的四个弹簧，形成了四个非线性弹簧单元。

步骤S15、在浮式平台模型的重心位置和顶张式立管模型上的扶正滚轮位置之间建立运动耦合关系，模拟浮式平台在扶正滚轮位置对立管的位移约束。

步骤S16、在顶张式立管有限元分析过程中，将浮式平台的运动施加在浮式平台模型的重心位置上。

优选地，结构属性包括外层套管和内部油管的数量。

优选地，几何属性包括内外径和壁厚。

优选地，材料属性包括材料规格、材料密度。

优选地，在步骤S9中，建立顶张式立管模型，包括建立几何模型赋予材料属性、进行网格划分和设置边界条件。

优选地，在步骤S11中，浮式平台的重心位置和与张紧器顶端相连平台甲板的位置，包括四个分别对应四个气柱的位置。

优选地，该顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法，在步骤S12之后，还包括：

步骤S12.2、根据浮式平台和立管的空间位置关系，将浮式平台刚体模型和顶张式立管模型进行空间组装。

优选地，该顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法，在步骤S12.2之后，还包括：

步骤S12.3、采用弹簧单元，将顶张式立管模型上的张力环位置分别与浮式平台模型上的甲板位置相连接，形成四个弹簧单元。

实施本发明的技术方案，至少具有以下的有益效果：

(1)正确地计算得到张紧器每根气柱的张力T和冲程x之间的关系能够合理地模拟张紧器的张力-冲程的非线性关系；

(2)采用四根非线性弹簧分别模拟液压式张紧器的四根液压气柱，并考虑了气柱与立管之间的偏角，使得所建立的张紧器有限元模型与张紧器的实际特性更加吻合。

(3)合理地处理了浮式平台、张紧器和立管之间的关系。将浮式平台处理为刚体，即在平台重心和平台甲板(即张紧器顶部)之间建立刚体连接，并在随后进行有限元分析时将平台的运动施加在平台的重心位置。这样才能将平台的运动通过平台重心-平台甲板(即张紧器顶端)-张力环(即立管顶端)的方式正确地传递给立管顶部。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一优选实施例的顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法中的液压式张紧器气柱的张力-冲程关系计算流程图。

图2是本发明一优选实施例的顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法中的液压式张紧器的有限元模拟流程图。

图3是本发明一优选实施例的顶张式立管液压张紧器的有限元模拟方法中的液压式张紧器的有限元模拟模型图。

图中标号的说明：1.顶张式立管；2.浮式平台；3.气柱；4.张力环；5.扶正滚轮；6.浮式平台的重心位置；7.浮式平台的甲板位置。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

【实施例一】

如图1-3所示，本发明一个优选实施方式中的顶张式立管1液压张紧器的有限元模拟方法，包括如下步骤。

步骤S1、确定顶张式立管1的结构属性、几何属性、材料属性以及立管水下部分和水上部分的分布情况。

步骤S2、计算顶张式立管1水上部分的干重W_d和水下部分的湿重W_w。

步骤S3、确定张紧器的张力因子f。

步骤S4、计算张紧器的名义张力的竖直分量T_up＝W_d+f·W_w。

步骤S5、确定张紧器的气柱3和立管之间的初始角度θ。

步骤S6、计算张紧器每一根气柱3方向的名义张力

步骤S7、确定张紧器的气柱3的长度L和绝热系数γ。

步骤S8、计算每根气柱3的实际张力T和冲程x之间的关系

步骤S9、根据顶张式立管1的相关属性，采用梁单元建立顶张式立管模型。

步骤S10、根据实际工况，在顶张式立管模型上确定张力环4和扶正滚轮5对应的位置。

步骤S11、确定浮式平台的重心位置6和与张紧器顶端相连平台甲板的位置。

步骤S12、采用离散刚体单元，在浮式平台的重心位置6和平台甲板的四个位置之间分别建立刚体连接，形成浮式平台2刚体模型。

步骤S13、采用四个弹簧单元模拟张紧器系统的四个气柱3，将立管模型上的张力环4位置分别与浮式平台模型上的甲板位置7相连接。

步骤S14、将步骤S7计算得到的气柱3的张力-冲程关系，赋予步骤S13中建立的四个弹簧，形成了四个非线性弹簧单元。

步骤S15、在浮式平台模型的重心位置和顶张式立管模型上的扶正滚轮5位置之间建立运动耦合关系，模拟浮式平台2在扶正滚轮5位置对立管的位移约束。

步骤S16、在顶张式立管1有限元分析过程中，将浮式平台2的运动施加在浮式平台模型的重心位置上。

本实施例的顶张式立管1液压张紧器的有限元模拟方法将浮式平台2处理为刚体，即在平台重心和平台甲板(即张紧器顶部)之间建立刚体连接，并在随后进行有限元分析时将平台的运动施加在平台的重心位置。这样才能将平台的运动通过平台重心-平台甲板(与张紧器顶端相连)-张力环4(位于立管顶部)的方式正确地传递给立管顶部。

该方法不但能够合理地模拟张紧器的张力-冲程关系特性，而且能够正确地处理浮式平台2、张紧器和立管之间的关系。本发明提出的模拟方法使得顶张式立管模型顶部受到的张力和运动更加符合实际，进而使得顶张式立管1的有限元分析更加合理和准确。

实施本实施例的技术方案能以下的有益效果：

(1)正确地计算得到张紧器每根气柱3的张力T和冲程x之间的关系能够合理地模拟张紧器的张力-冲程的非线性关系；

(2)采用四根非线性弹簧分别模拟液压式张紧器的四根液压气柱3，并考虑了气柱3与立管之间的偏角，使得所建立的张紧器有限元模型与张紧器的实际特性更加吻合。

(3)合理地处理了浮式平台2、张紧器和立管之间的关系。将浮式平台2处理为刚体，即在平台重心和平台甲板(即张紧器顶部)之间建立刚体连接，并在随后进行有限元分析时将平台的运动施加在平台的重心位置。这样才能将平台的运动通过平台重心-平台甲板(即张紧器顶端)-张力环4(即立管顶端)的方式正确地传递给立管顶部。

【实施例二】

本实施例的顶张式立管1液压张紧器的有限元模拟方法对实施例一的技术方案做了进一步改进，其包括实施例一的所有内容。

本实施例的顶张式立管1液压张紧器的有限元模拟方法，如图1-3所示，包括如下步骤。

步骤S1、确定顶张式立管1的结构属性、几何属性、材料属性以及立管水下部分和水上部分的分布情况。其中，结构属性包括外层套管和内部油管的数量，进一步地，几何属性包括内外径和壁厚。，材料属性包括材料规格、材料密度。

步骤S2、计算顶张式立管1水上部分的干重W_d和水下部分的湿重W_w。

步骤S3、确定张紧器的张力因子f。

步骤S4、计算张紧器的名义张力的竖直分量T_up＝W_d+f·W_w。

步骤S5、确定张紧器的气柱3和立管之间的初始角度θ。

步骤S6、计算张紧器每一根气柱3方向的名义张力

步骤S7、确定张紧器的气柱3的长度L和绝热系数γ。

步骤S8、计算每根气柱3的实际张力T和冲程x之间的关系

步骤S9、根据顶张式立管1的相关属性，采用梁单元建立顶张式立管模型。

优选地，建立顶张式立管模型，包括建立几何模型赋予材料属性、进行网格划分和设置边界条件等过程。

步骤S10、根据实际工况，在顶张式立管模型上确定张力环4和扶正滚轮5对应的位置。

步骤S11、确定浮式平台的重心位置6和与张紧器顶端相连平台甲板的位置。

优选地，在步骤S11中，浮式平台的重心位置6和与张紧器顶端相连平台甲板的位置，包括四个分别对应四个气柱3的位置。

步骤S12、采用离散刚体单元，在浮式平台的重心位置6和平台甲板的四个位置之间分别建立刚体连接，形成浮式平台2刚体模型。

步骤S12.2、根据浮式平台2和立管的空间位置关系，将浮式平台2刚体模型和顶张式立管模型进行空间组装。这里需要注意，浮式平台2刚体模型2的重心位置6和顶张式立管模型1在空间上有可能重合，但二者之间是没有实质的接触关系的。

步骤S12.3、采用弹簧单元，将顶张式立管模型上的张力环4位置分别与浮式平台模型上的甲板位置7相连接，形成四个弹簧单元，用来模拟张紧器系统的四个气柱3。

步骤S13、采用四个弹簧单元模拟张紧器系统的四个气柱3，将立管模型上的张力环4位置分别与浮式平台模型上的甲板位置7相连接。

步骤S14、将步骤S7计算得到的气柱3的张力-冲程关系，赋予步骤S13中建立的四个弹簧，形成了四个非线性弹簧单元。

步骤S15、在浮式平台模型的重心位置和顶张式立管模型上的扶正滚轮5位置之间建立运动耦合关系，模拟浮式平台2在扶正滚轮5位置对立管的位移约束。

步骤S16、在顶张式立管1有限元分析过程中，将浮式平台2的运动施加在浮式平台模型的重心位置上。

根据上述步骤建立得到的顶张式立管11的液压张紧器的有限元模型如图3所示。

本实施例的顶张式立管1液压张紧器的有限元模拟方法将浮式平台2处理为刚体，即在平台重心和平台甲板(即张紧器顶部)之间建立刚体连接，并在随后进行有限元分析时将平台的运动施加在平台的重心位置。这样才能将平台的运动通过平台重心-平台甲板(与张紧器顶端相连)-张力环4(位于立管顶部)的方式正确地传递给立管顶部。

该方法不但能够合理地模拟张紧器的张力-冲程关系特性，而且能够正确地处理浮式平台2、张紧器和立管之间的关系。本发明提出的模拟方法使得顶张式立管模型顶部受到的张力和运动更加符合实际，进而使得顶张式立管1的有限元分析更加合理和准确。

实施本实施例的技术方案能以下的有益效果：

(1)正确地计算得到张紧器每根气柱3的张力T和冲程x之间的关系能够合理地模拟张紧器的张力-冲程的非线性关系；

(2)采用四根非线性弹簧分别模拟液压式张紧器的四根液压气柱3，并考虑了气柱3与立管之间的偏角，使得所建立的张紧器有限元模型与张紧器的实际特性更加吻合。

(3)合理地处理了浮式平台2、张紧器和立管之间的关系。将浮式平台2处理为刚体，即在平台重心和平台甲板(即张紧器顶部)之间建立刚体连接，并在随后进行有限元分析时将平台的运动施加在平台的重心位置。这样才能将平台的运动通过平台重心-平台甲板(即张紧器顶端)-张力环4(即立管顶端)的方式正确地传递给立管顶部。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。