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4. 计算流程

OceanKit针对海洋平台结构进行力学分析的基本流程包括：

  1. 建立结构分析项目（目前仅支持深海软管的动力学分析）
  2. 结构参数化建模
  3. 模型网格生成
  4. 设置材料属性
  5. 定义约束和边界载荷
  6. 设置求解参数
  7. 执行计算任务
  8. 对计算结果进行显示和分析
  9. 生成分析报告

下面分别对以上流程1-7进行详细说明，流程8-9则在第5节中进行说明 ，这里主要描述相关概念和参数，具体的软件界面操作请参考6. 界面操作一节。

4.1 软管动力学分析项目

在开始每一种结构计算前，需要建立一个相应的项目，这个项目包含了分析所定义的数据。 对于深海管道模拟项目，它主要包括以下数据分类：

  • 模型尺寸
  • 网格剖分
  • 材料属性
  • 载荷定义
  • 求解控制
  • 计算任务

这些分类的具体数据将在下面的流程介绍中进行说明。项目可以以文件的形式进行保存，便于之后打开或修改。

4.1.1 结构参数化建模

建立一个管道模型，需要设置其几何参数并选择对称类型。其中几何参数包括管道的全长、管道的直径、管道壁厚、止屈器长度、止屈器壁厚以及止屈器的位置。从管道的正视图和左视图，可以明确各参数的物理意义。

管道的正视图如下：

image-1650442331459.png

管道的左视图如下：

各符号参数对应的含义如下表

参数含义 止屈器位置 止屈器长度 管道总长 管道内径 管道壁厚 止屈器壁厚
参数符号 L1 L2 L3 d t1 t2

4.1.2 模型网格生成

在OceanKit中有四种生成网格的方式：映射-给定点数、映射-给定尺寸、自适应、从文件导入，用户可以自行选择划分网格的方式，并设置轴向、环向、径向以及止屈器径向网格数目。

  • 映射-给定点数：通过设置模型的结点数量进行网格划分
  • 映射-给定点数：通过设置模型的网格尺寸进行网格划分
  • 自适应：智能划分，软件将自动根据模型各位置的尺寸选择一个比较合适的网格尺寸，进行网格划分
  • 从文件导入：OceanKit支持其他有限元软件的网格划分，这种方式需要先生成几何模型对应的网格文件，包括结点坐标和网格拓扑关系，且为txt文件。

4.1.3 材料属性设置

在本软件中材料的本构模型采用考虑强化和下降段的三折线模型，需要设置的材料属性包括弹性模量、剪切模量、切线模量、屈服强度、拉伸极限和密度，其中弹性模量、剪切模量和切线模量的单位默认为 Gpa,屈服强度和拉伸极限的单位默认为 Mpa,密度的单位默认为kg/m3。

材料各参数的建议值如下表

参数名称 弹性模量 剪切模量 切线模量 屈服强度 拉伸极限 密度
建议值 210 Gpa 78 Gpa 1.5 Gpa 448 Mpa 598 Mpa 7850 kg/m3

4.1.4 约束和边界载荷

在进行管道分析时，需要进行约束和边界载荷设置：

  • 约束设置：在端面需要进行6个方向自由度的约束设置，6个自由度包括X、Y、Z三个方向的平动和转动。
  • 载荷设置：软件支持位移加载和力的加载，一般来说这里的力和位移加载在端面的结点上，通过调整加载时程数据，可以控制加载顺序以及加载速率。
  • 压力设置：除了端部的约束和载荷，管道的内外表面还会承受一定的压力，需要在内外表面单元上加载压力，一般来说，内表面的压力可以看成 0 Mpa。同样，加载压力时可以通过调整加载时程数据，控制加载顺序以及加载速率。

在进行载荷和压力设置时，常见的加载方式为斜坡加载，即前一半时间线性加载到最大值，后一半时间稳定。

4.1.5 设置求解参数

4.1.1-4.1.4基本完成有限元力学模型的建模，此时要进行求解，需要设置求解参数，求解参数包括计算时长、时间步长、是否刚性接触、各个方向的阻尼。

  • 计算时长：实际物理时长，时长应大于计算达到稳定所需时长，才可以得到比较可靠的结果
  • 时间步长；计算的步长，根据模型进行设置，这一步长取太大会引起求解不收敛，取太小则计算会比较耗时
  • 是否刚性接触：一般默认为刚性接触
  • 各个方向的阻尼：包含X、Y、Z方向的平动和转动阻尼的设置。

4.1.6 执行计算任务

提交计算任务前，需要进行任务名称、任务工作路径、结果输出次数和并行进程数的设置。 设置完后，可以生成求解器所需的输入文件，下表详细说明了求解器各输入文件的含义与用途，值得注意的是，求解器的输入输出文件均为txt格式。

  • 输入文件一览
序号 文件名称 文件解释与用途 文件格式
1 Element_Information_Solid 单元信息 txt
2 Ele_Node-六面体 单元信息，没有实质作用 txt
3 NodeCoor 结点坐标 txt
4 InnerFace_PlaneEle 内表面辅助单元拓扑信息 txt
5 OutFace_PlaneEle 内表面辅助单元拓扑信息 txt
6 Material_Infor 材料参数 txt
7 NodeDisp_X X方向位移载荷 txt
8 NodeDisp_Y Y方向位移载荷 txt
9 NodeDisp_Z Z方向位移载荷 txt
10 NodeDisp_TimePoints 施加位移载荷的插值时间点，通过
载荷时程来控制位移载荷加载速率		 txt
11 InnerPressure 内压 txt
12 OutPressure 外压 txt
13 Constrain_Nodes 端部结点约束 txt
14 DampingRatio_Input_dx X平动方向阻尼 txt
15 DampingRatio_Input_dy Y平动方向阻尼 txt
16 DampingRatio_Input_dz Z平动方向阻尼 txt
17 DampingRatio_Input_rx X转动方向阻尼 txt
18 DampingRatio_Input_ry Y转动方向阻尼 txt
19 DampingRatio_Input_rz Z转动方向阻尼 txt
20 Calculate_parameters 计算参数文件 txt

当以上文件都已生成时，可以调用求解器进行相关计算，计算后生成的结果文件同样为txt格式。

  • 输出文件一览

以第一步为例，各输出文件含义如下表所示

序号 文件名称 文件解释与用途 文件格式
1 00001-Ele_dDisp_Local_Solid 单元坐标系下的单元结点位移 txt
2 00001-EleForce_Solid 整体坐标系下的实体单元内力 txt
3 00001-Elementforce 整体坐标系下的实体单元外力 txt
4 00001-EleStrain_Local_Solid 单元坐标系下的单元应变 txt
5 00001-EleStrain_Solid 整体坐标系下的单元应变 txt
6 00001-EleStress_Local_Solid 单元坐标系下的单元应力 txt
7 00001-EleStress_Solid 整体坐标系下的单元应力 txt
8 00001-force 施加在节点上的力和内力 txt
9 00001-NodeCoor 节点位置和节点位移 txt
10 00001-NodeStrain_Solid 整体坐标系下的节点应变 txt
11 00001-NodeStress_Solid 整体坐标系下的节点应力 txt
12 00001-PrinVec 单元坐标与整体坐标转换矩阵 txt

将求解器生成的结果文件导入OceanKit后，可以进行后处理。

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