申请/专利权人：中国石油大学(华东);威海纳川管材有限公司

申请日：2021-06-18

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN113505449B

主分类号：G06F30/17

分类号：G06F30/17;G06F30/23;G06F113/14;G06F113/26;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2022.03.15#实质审查的生效;2021.10.15#公开

摘要：本发明属于海洋工程设计领域，公开了一种用于预测复合材料柔性管失效荷载的随机分析方法，包括：建立深海复合材料柔性管的三维力学分析模型，并获取生产参数的随机范围，同时生成各生产参数的随机样本，将随机样本数与ABAQUS软件计算模型相结合，根据Hashin–Yeh失效准则与复合材料渐进损伤失效系数对复合材料柔性管的失效荷载进行随机分析。系统包括：随机样本生成模块；强度参数及弹性常数评估模块；应力分析模块；复合材料柔性管损伤失效分析模块。本发明基于Monte‑Carlo方法结合ABAQUS有限元分析提出了针对深水复合材料柔性管损伤失效的随机分析方法，可以更准确的预测柔性管损伤失效载荷。

主权项：1.一种用于预测复合材料柔性管失效荷载的随机分析方法，其特征在于，所述用于预测复合材料柔性管失效荷载的随机分析方法包括：建立深海复合材料柔性管的三维力学分析模型，并获取生产工艺参数的随机范围，同时生成各生产工艺参数的随机样本，将随机样本数与ABAQUS软件计算模型相结合，根据Hashin–Yeh失效准则与复合材料渐进损伤失效系数对复合材料柔性管的失效荷载进行随机分析；所述用于预测复合材料柔性管失效荷载的随机分析方法包括以下步骤：步骤一，确定生产工艺参数的波动范围；采用Monte-Carlo方法，在生产工艺参数波动范围内生成随机样本；步骤二，评估不同样本对应的生产工艺参数下，增强层复合材料的强度参数及弹性常数；步骤三，利用ABAQUS有限元分析软件建立复合材料柔性管有限元分析模型，施加荷载计算应力分布进行应力分析；步骤四，利用Hashin–Yeh失效准则与复合材料渐进损伤失效系数，并结合ABAQUS有限元模型的应力分析计算结果，进行复合材料柔性管损伤失效分析；所述生产工艺参数包括：增强层层厚、缠绕角度、纤维含量；所述随机样本数通过变异系数确定；所述评估不同样本对应的生产工艺参数下，增强层复合材料的强度参数及弹性常数计算公式如下：E1＝EfVf+EmVm； 步骤三中，所述利用ABAQUS有限元分析软件建立复合材料柔性管有限元分析模型，施加荷载计算应力分布进行应力分析包括：利用两个同心圆拉伸生成为3D可变形实体的所有部件；创建两种材料，针对柔性管具体的增强层层数即N层，创建N+2个实体层，同时定义增强层的缠绕角度；采用C3D8R模拟内衬、增强层层合板和涂层；在两个截面的中心分别创建两个参考点RP1和RP2；所述两个参考点RP1和RP2与相应截面上的所有节点进行运动学耦合，添加相应的设计载荷；设置网格为扫掠网格，扫掠方向为径向；通过布种管理器控制内衬层网格的边长为4mm，外保护层网格的边长是2mm、增强层网格的边长为0.25mm，运行计算得到柔性管各层的应力分布；所述创建两种材料包括：内衬层和外保护层使用的HDPE材料，用于定义其弹性和塑性；增强层使用的HDPE玻纤带材料，使用各向异性工程常数定义其弹性；步骤四中，所述利用Hashin–Yeh失效准则与复合材料渐进损伤失效系数，并结合ABAQUS有限元模型的应力分析计算结果，进行复合材料柔性管损伤失效分析包括：将Hashin–Yeh失效准则作为复合材料柔性管的失效判定标准，得到复合材料柔性管的不同失效模式下的极限荷载；确定复合材料增强层的渐进失效系数，结合渐进失效系数确定增强层损伤过程中的材料参数退化；所述利用Hashin–Yeh失效准则与复合材料渐进损伤失效系数，并结合ABAQUS有限元模型的应力分析计算结果，进行复合材料柔性管损伤失效分析包括以下步骤：定义初始外荷载P，采用荷载逐步叠加的方式进行迭代，每一步迭代计算的应力结果采用Hashin–Yeh失效准则进行损伤判断，并利用破坏因子Ri反映损伤状态，其中i＝ft、fc、mt、mc、s、td和cd；当失效因素大于1时，表示发生损坏；同时根据损伤判断结果利用损伤失效系数计算复合材料的刚度衰减；上一步迭代结果作为下一步迭代的初始状态，达到最终损伤失效模式后，输出极限失效荷载，迭代结束；所述利用Hashin–Yeh失效准则与复合材料渐进损伤失效系数，并结合ABAQUS有限元模型的应力分析计算结果，进行复合材料柔性管损伤失效分析的公式如下： σ1，σ2，σ3，τ12，τ13与τ23为材料坐标系下各方向上正应力与剪应力分量；X12，X13与X23为各向面内剪切强度；E1，E2，E3为增强层各向弹性模量；G12，G13，G23为增强层各向剪切模量；ν12，ν13，ν21为增强层各向泊松比；Ef为玻璃纤维弹性模量；Gf为玻璃纤维剪切模量；νf为玻璃纤维泊松比；Fft为玻璃纤维拉伸强度；Vf为纤维体积含量；Em为基体材料弹性模量；Gm为基体材料剪切模量；νm为玻璃纤维泊松比；Fmt为玻璃纤维拉伸强度；Vm为基体材料体积含量；C为接触系数，设为0.2；XT，XC，YT，YC，ZT和ZC为增强层强度参数。

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