點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及受點(diǎn)坑腐蝕構(gòu)件的數(shù)值模型構(gòu)建技術(shù)，具體是點(diǎn)坑腐蝕隨機(jī)分布的圓 柱殼數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法，可模擬圓柱殼上的點(diǎn)蝕坑分布位置及壁厚損傷深度的隨 機(jī)狀態(tài)，用于研宄隨機(jī)分布的點(diǎn)蝕損傷引起圓柱殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問題，揭示點(diǎn)蝕損傷影 響結(jié)構(gòu)承載力的規(guī)律。
【背景技術(shù)】
[0002] 粧基式平臺(tái)的粧腿、海底管道等構(gòu)件長(zhǎng)期處于腐蝕性的海洋環(huán)境，腐蝕引起的構(gòu) 件承載力削弱在所難免，但因腐蝕機(jī)理復(fù)雜，揭示腐蝕引起的結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力強(qiáng)度和疲勞壽命 退化的機(jī)理正成為海洋油氣開發(fā)、輸送相關(guān)行業(yè)技術(shù)攻關(guān)的熱點(diǎn)。一般腐蝕分為全面腐蝕 和局部腐蝕兩種，坑點(diǎn)腐蝕是典型的局部腐蝕（又稱非均勻腐蝕），是由于金屬表面物理和 化學(xué)的不均勻性所引起的，常見且危害極大，嚴(yán)重的坑點(diǎn)腐蝕可能使金屬殼板穿透，會(huì)引起 流體泄漏、火災(zāi)、爆炸、構(gòu)件斷裂、結(jié)構(gòu)倒塌等事故。
[0003] 在點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件的承載力研宄方面，美國(guó)石油協(xié)會(huì)API579-1規(guī)范提出一個(gè)經(jīng)驗(yàn) 公式計(jì)算8種標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)蝕模態(tài)的金屬管道的剩余強(qiáng)度，但在確定點(diǎn)蝕模態(tài)時(shí)人為因素影響過 大。中國(guó)專利公開號(hào)為CN103558356A、名稱為"一種含點(diǎn)蝕金屬管道剩余強(qiáng)度的無縫表征 模型"提出利用點(diǎn)蝕面積占有比《和剩余壁厚比你倆個(gè)參數(shù)表征包含并介于8種標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn) 蝕之間的點(diǎn)蝕模態(tài)，并將其引入API規(guī)范計(jì)算點(diǎn)蝕管道的剩余強(qiáng)度計(jì)算，但其并未對(duì)點(diǎn)蝕 的分布模式作出本質(zhì)的創(chuàng)新，無法體現(xiàn)點(diǎn)蝕分布模式的差異對(duì)構(gòu)件承載力的影響。
[0004] 點(diǎn)蝕是由環(huán)境腐蝕、結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕、材料缺陷等多種因素共同作用的結(jié)果，其在 構(gòu)件上的形態(tài)分布完全處于隨機(jī)狀態(tài)，在點(diǎn)蝕分布模型的研宄方面還未取得有共識(shí)的成 果。中國(guó)專利公告號(hào)為CN203132482U、名稱為"一種點(diǎn)蝕坑深度測(cè)量?jī)x"和中國(guó)專利公開 號(hào)為CN103969472A、名稱為"一種點(diǎn)蝕形成過程的原位觀測(cè)裝置及方法"的文獻(xiàn)分別公開 了測(cè)量點(diǎn)蝕坑深度和點(diǎn)蝕形成過程形貌特征原位動(dòng)態(tài)觀測(cè)裝置及方法，中國(guó)專利公開號(hào)為 CN102708588A的文獻(xiàn)公開了一種金屬平板點(diǎn)蝕損傷形貌三維重建方法，但這些測(cè)量?jī)x器和 方法均須采用復(fù)雜的成像設(shè)備、傳感器和先進(jìn)的計(jì)算工具等設(shè)備和配件，且測(cè)試過程和方 法極為復(fù)雜，目前只能解決特定點(diǎn)蝕構(gòu)件的模型構(gòu)建問題，還無法為開展大量的科學(xué)研宄 提供所需的大批量計(jì)算模型。也正是因?yàn)閷?shí)測(cè)點(diǎn)蝕數(shù)據(jù)設(shè)備的欠缺及其高昂的測(cè)試成本， 至今還未見報(bào)道涉及建立較為真實(shí)的點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件模型的技術(shù)，限制了點(diǎn)蝕損傷影響結(jié)構(gòu) 承載力的研宄進(jìn)展。
[0005] 構(gòu)件的材料分布不均勻、海水沖刷的力度不均以及防腐層的分布都有可能造成非 均勻腐蝕，且點(diǎn)蝕的產(chǎn)生是隨機(jī)的。隨著有限元軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模型代 替高昂的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展理論研宄已是一種趨勢(shì)，可利用數(shù)值模型得到一些普遍的規(guī)律后指 導(dǎo)物理模型實(shí)驗(yàn)，節(jié)省研宄成本。但現(xiàn)有研宄所采用的點(diǎn)蝕構(gòu)件(僅板件有報(bào)道，圓柱殼還 未見報(bào)道）數(shù)值模型，均只能通過在構(gòu)件上均布或在指定位置上構(gòu)建點(diǎn)蝕來研宄點(diǎn)蝕對(duì)構(gòu) 件承載力的影響，所建立的數(shù)值模型具有特定性，缺乏普遍性，無法開展大量的理論研宄和 分析，也不符合實(shí)際觀測(cè)到的點(diǎn)蝕分布狀況。因此，有必要構(gòu)建出隨機(jī)分布點(diǎn)蝕損傷構(gòu)件的 模型，推進(jìn)點(diǎn)蝕損傷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的相關(guān)研宄進(jìn)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼 數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法，是一種接近真實(shí)的點(diǎn)蝕損傷圓柱殼的數(shù)值模型仿真方法，在 圓柱殼上建立隨機(jī)分布的圓柱形點(diǎn)蝕，解決圓柱殼的點(diǎn)蝕分布及其壁厚損傷度的隨機(jī)態(tài)模 擬和有限網(wǎng)格劃分問題，所構(gòu)建的模型具有普遍性，符合實(shí)際點(diǎn)蝕分布狀況，提高了仿真計(jì) 算的真實(shí)性。
[0007] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，包括以下步驟： A、 在有限元軟件中對(duì)圓柱殼和點(diǎn)蝕坑的尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，將圓柱殼的幾何模型劃 分為大小均勻的幾何網(wǎng)格，并將幾何網(wǎng)格的角點(diǎn)處作為點(diǎn)蝕坑可能出現(xiàn)的位置； B、 產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)確定點(diǎn)蝕坑的位置及深度，確定點(diǎn)蝕坑的幾何參數(shù)，每產(chǎn)生一個(gè)新的點(diǎn) 蝕坑均須判斷其是否與已有的點(diǎn)蝕坑發(fā)生重疊，如有重疊則重新產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)確定點(diǎn)蝕坑位 置； 利用點(diǎn)蝕坑的幾何參數(shù)在圓柱殼上構(gòu)造出點(diǎn)蝕坑的幾何模型，建立點(diǎn)蝕坑隨機(jī)分布的 圓柱殼的整體幾何模型； C、 將所述圓柱殼的整體幾何模型分為點(diǎn)蝕蝕組、點(diǎn)蝕蝕影響區(qū)組和完善區(qū)組，并對(duì)圓 柱殼的整體幾何模型劃分有限元網(wǎng)格，構(gòu)建出點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型。
[0008] 進(jìn)一步地，設(shè)置的參數(shù)包括：圓柱殼的中面半徑/?、壁厚?、圓柱殼長(zhǎng)度Z、點(diǎn)蝕坑半 徑八點(diǎn)蝕坑數(shù)目/7、壁厚損傷度泛、點(diǎn)坑深度M、點(diǎn)蝕影響區(qū)系數(shù)為點(diǎn)蝕坑半徑 r的倍數(shù)，且不小于1.0;根據(jù)點(diǎn)蝕坑平均半徑/?Γ將圓柱殼的幾何模型劃分出幾何網(wǎng)格， 沿圓柱殼的周向?qū)A柱殼的幾何模型劃分為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法，其特征是包括以下步驟： A、 在有限元軟件中對(duì)圓柱殼和點(diǎn)蝕坑的尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，將圓柱殼的幾何模型劃 分為大小均勻的幾何網(wǎng)格，并將幾何網(wǎng)格的角點(diǎn)處作為點(diǎn)蝕坑可能出現(xiàn)的位置； B、 產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)確定點(diǎn)蝕坑的位置及深度，確定點(diǎn)蝕坑的幾何參數(shù)，每產(chǎn)生一個(gè)新的點(diǎn) 蝕坑均須判斷其是否與已有的點(diǎn)蝕坑發(fā)生重疊，如有重疊則重新產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)確定點(diǎn)蝕坑位 置； 利用點(diǎn)蝕坑的幾何參數(shù)在圓柱殼上構(gòu)造出點(diǎn)蝕坑的幾何模型，建立點(diǎn)蝕坑隨機(jī)分布的 圓柱殼的整體幾何模型； C、 將所述圓柱殼的整體幾何模型分為點(diǎn)蝕坑組、點(diǎn)蝕坑影響區(qū)組和完善區(qū)組，并對(duì)圓 柱殼的整體幾何模型劃分有限元網(wǎng)格，構(gòu)建出點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法，其特征 是： 步驟A中，設(shè)置的參數(shù)包括：圓柱殼的中面半徑/?、壁厚?、圓柱殼長(zhǎng)度Z、點(diǎn)蝕坑半徑r、 點(diǎn)蝕坑數(shù)目/7、壁厚損傷度Cf、點(diǎn)坑深度<2/、點(diǎn)蝕影響區(qū)系數(shù)/f，//為點(diǎn)蝕坑半徑r的倍 數(shù)，且不小于1.0 ;根據(jù)點(diǎn)蝕坑平均半徑將圓柱殼的幾何模型劃分出幾何網(wǎng)格，沿圓柱 殼的周向?qū)A柱殼的幾何模型劃分為J/=IXTC.Ti?.+舞）等份，沿圓柱殼的縱軸向?qū)A柱 殼的幾何模型劃分為《V=lNTa /fr)等份；除圓柱殼兩端部邊界上的幾何網(wǎng)格的角點(diǎn)外， 幾何網(wǎng)格的任意角點(diǎn)均可能為點(diǎn)蝕坑的分布位置；當(dāng)含4個(gè)網(wǎng)格的區(qū)域的中心0點(diǎn)分 布點(diǎn)蝕坑后，含4個(gè)網(wǎng)格的區(qū)域?yàn)?點(diǎn)的點(diǎn)蝕坑影響區(qū)，在點(diǎn)蝕坑影響區(qū)的其它角點(diǎn) 均不能分布點(diǎn)蝕坑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法，其特征 是： 將圓柱殼在母線/政h展開得到二維平面網(wǎng)格投影，建立二維數(shù)組(凇價(jià)1)與 此平面網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)，二維數(shù)組的下標(biāo)表示網(wǎng)格角點(diǎn)的位置，其元素值表示下標(biāo)所示位置的 角點(diǎn)是否可布置點(diǎn)蝕坑，〇為可布置點(diǎn)蝕坑，1為不可布置點(diǎn)蝕坑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法，其特征 是： 步驟B包含有： (1) 定義二維數(shù)組U 3)記錄點(diǎn)蝕坑的位置及點(diǎn)蝕坑的深度； (2) 隨機(jī)生成兩個(gè)數(shù)i和j以定位網(wǎng)格上的角點(diǎn)⑶[i] [ j]位置，i為1~廁司的 任意一個(gè)隨機(jī)數(shù)，J為2~ #間的任意一個(gè)隨機(jī)數(shù)； (3) 判斷[i] [ j]是否為1，不為1則該位置可布置點(diǎn)蝕坑，若為1，則返回步驟 (2)重新產(chǎn)生隨機(jī)點(diǎn)蝕坑位置，在已產(chǎn)生的點(diǎn)蝕坑總數(shù)中加1，記當(dāng)前點(diǎn)蝕坑為第左個(gè)點(diǎn)坑， 并用/YTm組記錄該點(diǎn)蝕坑的位置信息，即：產(chǎn)/r [幻[i]=i、產(chǎn)/r [幻[2]=J·; (4) 隨機(jī)生成壁厚損傷度》以確定點(diǎn)蝕處的圓柱殼壁厚，剩余壁厚為（1- ?Ζ ) ?，并使 pit m [3]= (i- a ) u (5) 將二維數(shù)組[i] [ j]置為1，將[i] [ j]角點(diǎn)附近的8個(gè)角點(diǎn)所對(duì) 應(yīng)的二維數(shù)組均置為1 ; (6) 在二維數(shù)組[i] [ j]處，以該角點(diǎn)為局部圓柱坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立半徑為r 的點(diǎn)蝕圓柱體，并利用所建圓柱體的表面切割圓柱殼幾何模型，此后刪除圓柱體，得到包含 點(diǎn)蝕損傷的圓柱殼； (7) 重復(fù)步驟（1)~ (6)，直到/?個(gè)隨機(jī)分布點(diǎn)蝕坑的位置和壁厚全部確定，最終構(gòu)建出 點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼的整體幾何模型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法，其特征 是： 步驟C中，選擇長(zhǎng)度為r的線段，再選擇與其相關(guān)點(diǎn)蝕坑面，每個(gè)點(diǎn)蝕坑都被分為4等 份，共有4/7個(gè)面形成點(diǎn)蝕坑組； 選擇半徑為r的線段，再選擇與其相關(guān)的點(diǎn)蝕坑面，選擇與這些點(diǎn)蝕坑面相關(guān)的邊界 線，然后選擇與這些邊界線相關(guān)的面，剔除掉點(diǎn)蝕坑面，剩下4/7個(gè)面形成點(diǎn)蝕坑影響區(qū)組； 選擇圓柱殼的整體幾何模型，剔除點(diǎn)蝕坑組和點(diǎn)蝕坑影響區(qū)組，剩余#展4/7個(gè)面形成 完善區(qū)組。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型的參數(shù)化構(gòu)建方法，其特征 是： 步驟C中劃分有限元網(wǎng)格的方法是： (1) 選擇點(diǎn)蝕坑組的所有線段，將其2#分，5為網(wǎng)格劃分時(shí)線段的等分基數(shù)， (2) 選擇點(diǎn)蝕蝕影響區(qū)組的所有線段，剔除與點(diǎn)蝕坑組共用的線段后再#分； (3) 選擇完善區(qū)組的所有線段，將其#分； (4) 選擇點(diǎn)蝕坑組中由[/ΥΓ [i] [I]] [/M [i] [2]]確定的點(diǎn)蝕坑，由/ΥΓ [i] [3]確定其單元厚度，i由1~ 循環(huán)，劃分所有點(diǎn)蝕坑的有限元網(wǎng)格； (5) 選擇點(diǎn)蝕坑影響區(qū)組，以?為其單元厚度，劃分點(diǎn)蝕影響區(qū)的有限元網(wǎng)格； (6) 選擇完善區(qū)組，以?為其單元厚度，利用個(gè)映射網(wǎng)格劃分完善區(qū)的有限元網(wǎng)格。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型參數(shù)化構(gòu)建方法，先在有限元軟件中對(duì)圓柱殼和點(diǎn)蝕坑的尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，將圓柱殼的幾何模型劃分為大小均勻的幾何網(wǎng)格，并將幾何網(wǎng)格的角點(diǎn)處作為點(diǎn)蝕坑可能出現(xiàn)的位置；再產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)確定點(diǎn)蝕坑的位置及深度，每產(chǎn)生一個(gè)新的點(diǎn)蝕坑均須判斷其是否與已有的點(diǎn)蝕坑發(fā)生重疊，如有重疊則重新產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)確定點(diǎn)蝕坑位置；利用點(diǎn)蝕坑的幾何參數(shù)在圓柱殼上構(gòu)造出點(diǎn)蝕坑的幾何模型，建立點(diǎn)蝕坑隨機(jī)分布的圓柱殼的整體幾何模型；最后將整體幾何模型分組，并對(duì)整體幾何模型劃分有限元網(wǎng)格，構(gòu)建出點(diǎn)蝕隨機(jī)分布的圓柱殼數(shù)值模型，本發(fā)明構(gòu)建的數(shù)值模型具有普遍性和真實(shí)性。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104834783
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510238911
【發(fā)明人】王仁華, 孫潔, 方媛媛
【申請(qǐng)人】江蘇科技大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月12日