墜物撞擊海底管道損傷的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

張春會(huì),趙文豪,田英輝,牛習(xí)現(xiàn),王 樂,黃 鑫,佘虹宇,齊曉亮

(1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.河北省巖土與結(jié)構(gòu)體系防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)創(chuàng)新中心,河北石家莊 050018; 3.墨爾本大學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施工程系,維多利亞墨爾本 3010;4.河北青年管理干部學(xué)院信息系,河北石家莊 050031;5.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300354;6.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300451)

海底管道是海洋油氣輸送的生命線,在服役期內(nèi)除遭受波流和溫度荷載作用外,還經(jīng)常遭受拖網(wǎng)漁具、拋錨、集裝箱與其他墜落物等偶然荷載的撞擊,威脅海底管道安全[1-5]。已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果表明,47%的海底管道故障是由這些偶然荷載撞擊引起的[6]。在墜物等偶然荷載撞擊下,海底管道的損傷預(yù)測是海底管道安全防護(hù)技術(shù)研究的基礎(chǔ)。目前,國內(nèi)外對(duì)于墜物撞擊下海底管道損傷預(yù)測開展了很多研究[7-21]。總體來看,目前國內(nèi)外主要采用DNV RP-F107規(guī)范[7]公式預(yù)測海底管道損傷,但該公式假定海床為剛性,這與實(shí)際海底海床條件并不符。TIAN等[16]采用數(shù)值模擬方法分析了海床土力學(xué)特性對(duì)海底管道損傷的影響,給出了類似于DNV規(guī)范的海底管道損傷計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。這些計(jì)算公式在計(jì)算管道損傷時(shí)都需要先確定墜物撞擊下海底管道的吸收能,然而海底管道吸收能受海床土力學(xué)特性、管道特性及墜物特性等諸多因素的影響,目前尚無有效的方法對(duì)其進(jìn)行估算,針對(duì)具體工程只能通過數(shù)值模擬確定相應(yīng)的管道吸收能,這給海底管道損傷預(yù)測帶來了極大不便。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種典型的前饋型網(wǎng)絡(luò),適合在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立復(fù)雜的非線性映射[22],為直接通過墜物、管道和海床土特性預(yù)測受撞擊海底管道損傷提供了新思路。本文在ABAQUS下建立墜物撞擊海底管道的數(shù)值模型,開展大量數(shù)值模擬,分析墜物撞擊能量、管道直徑與壁厚、鋼材等級(jí)、內(nèi)壓和海床土力學(xué)特性對(duì)管道損傷的影響,將模擬結(jié)果作為訓(xùn)練樣本建立管道損傷BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,為海底管道損傷預(yù)測提供一種新的方法。

1 墜物撞擊海底管道的數(shù)值模型

本文在有限元軟件ABAQUS中建立墜物撞擊下海底管道與海床土相互作用的動(dòng)力數(shù)值模型。

1.1 數(shù)值模型建立

海底管道為X60型鋼,管道直徑D為1 m,質(zhì)量密度為7 850 kg/m3,楊氏模量為2×1011Pa,泊松比為0.3,管道為Mises材料,屈服強(qiáng)度為450 MPa,采用S4R殼體單元進(jìn)行模擬。海床為飽和黏土,土體有效質(zhì)量密度為600 kg/m3,墜物撞擊時(shí)間短,土體為不排水狀態(tài),Tresca材料,內(nèi)摩擦角與剪脹角均為0,泊松比為0.49,海床土不排水抗剪強(qiáng)度Su=10 kPa,彈性模量為500Su,土體采用C3D8R實(shí)體單元模擬。已有研究結(jié)果表明[16],在撞擊能量相同的條件下球形墜物造成的管道損傷最大。本文將墜物簡化為球形進(jìn)行計(jì)算。球形墜物直徑為1 m,質(zhì)量為1.9 t,將球形墜物視為剛體,采用C3D8R實(shí)體單元模擬,墜物撞擊點(diǎn)為管道中央。根據(jù)球形墜物撞擊海底管道的對(duì)稱性,沿球形墜物中心和撞擊點(diǎn),取半模型進(jìn)行數(shù)值分析,如圖1所示,其中xoz面為對(duì)稱面,y軸方向?yàn)檠毓艿垒S向,z軸方向?yàn)楹４哺叨确较颉?/p>

圖1 墜物撞擊管道有限元模型圖Fig.1 Finite element model of subsea pipe striked by falling object

海床長寬高分別為16D,16D和10D,海底管道平鋪于海床上,長度為16D。墜物受到海水阻力,下落一定深度后速度不變[7],數(shù)值模型中半球形墜物從管道上方勻速豎直下落。海底管道與飽和黏土海床之間摩擦系數(shù)為0.3,海床土底部邊界固定,前后左右4個(gè)表面邊界只允許垂直移動(dòng)。在管-土接觸長寬高方向1D范圍內(nèi)網(wǎng)格加密。經(jīng)過試算,加密區(qū)域網(wǎng)格尺寸為D/40,建立的球形墜物動(dòng)力撞擊海底管道數(shù)值模型如圖1所示。

1.2 損傷定義

管道損傷示意圖見圖2。墜落物撞擊海底管道,Q1點(diǎn)為撞擊前管道的上部中心點(diǎn),即球形落物撞擊管道的撞擊點(diǎn),P點(diǎn)為撞擊前管道下底點(diǎn),Q1與P之間的距離為管道直徑D,管道上部中心點(diǎn)受到豎向撞擊,Q1點(diǎn)產(chǎn)生豎向變形,向下移動(dòng)至Q2點(diǎn),Q1和Q2之間的距離即為撞擊引起的豎向凹陷深度δ,本文中管道損傷定義為

圖2 管道損傷示意圖Fig.2 Diagram of pipe damage

(1)

1.3 模型驗(yàn)證

利用本文數(shù)值模型,模擬PINHEIRO等[23]開展的剛性床上支撐管道加載實(shí)驗(yàn),同時(shí)將本文數(shù)值模擬結(jié)果與DNV RP-F107[7]的規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證本文數(shù)值模型的正確性。

1.3.1 剛性床上管道承受橫向荷載實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)[23]利用半球形壓頭對(duì)支撐在剛性底座上的管道(D=73 mm,t=3.05 mm)進(jìn)行靜態(tài)橫向加載實(shí)驗(yàn),在距離中心點(diǎn)17 mm和25 mm處分別布設(shè)4個(gè)環(huán)向和軸向應(yīng)變片,編號(hào)為SG1,SG2,SG3和SG4,如圖3所示,測試壓頭加載過程中4個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變值。利用本文數(shù)值模型模擬實(shí)驗(yàn)過程,在數(shù)值模擬中,壓頭和海床均為剛體,靠近管道-壓頭相互作用區(qū)域使用細(xì)小網(wǎng)格(0.05D),其余區(qū)域使用0.2D的單元尺寸,數(shù)值模型如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨DFig.3 Experimental model diagram

圖4 數(shù)值模型圖Fig.4 Numerical model diagram

數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖5,其中橫軸為應(yīng)變,縱軸為壓頭位移。SG1和SG3沿軸向和環(huán)向測得的應(yīng)變負(fù)值表示拉伸,正值表示收縮。由圖5可見,在加載初始階段,壓頭加載應(yīng)變?cè)鲩L較緩;壓頭位移超過約1.7 mm后,應(yīng)變?cè)鲩L速率變快。這是由于壓頭位移超過約1.7 mm后,管道初始圓形橫截面發(fā)生顯著變形,管道變得更加柔韌,呈現(xiàn)出更快的應(yīng)變?cè)鲩L速率。由圖5可知,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,表明本文數(shù)值模型可靠。

圖5 本文數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of numerical simulation results with experimental results in this paper

1.3.2 數(shù)值模型與DNV規(guī)范對(duì)比驗(yàn)證

DNV RP-F107規(guī)范[7]給出了剛性海床上海底管道受楔形墜物撞擊的凹痕損傷計(jì)算公式為

(2)

式中:E為管道吸收能量;σy為管道屈服應(yīng)力;δ為管道凹陷深度;t為管道壁厚。

將本文數(shù)值模型中的海床改為剛性海床,墜物形狀修改為楔形,將楔形墜物視為剛體,楔形墜物采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行模擬,撞擊點(diǎn)為管道中央;海底管道為X60型鋼,管道直徑為1 m,質(zhì)量密度為7 850 kg/m3,屈服強(qiáng)度為450 MPa,楊氏模量為2×1011Pa,泊松比為0.3,管道為Mises材料,采用S4R殼體單元進(jìn)行模擬,取半模型進(jìn)行數(shù)值分析。管道與海床之間光滑無摩擦,楔形墜物位于管道上方0.1 m處,海床剛性面的邊界條件被完全限制,管道的遠(yuǎn)端被完全固定,管道的近端約束法向移動(dòng),楔形墜物只沿豎向運(yùn)動(dòng),如圖6所示。算例中楔形墜物撞擊能量從3.5 kJ增加到197 kJ,數(shù)值計(jì)算獲得的管道損傷與DNV RP-F107規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖7所示。由圖7可知,數(shù)值模擬結(jié)果與DNV規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差不超過5%,表明本文數(shù)值模型計(jì)算可靠。

圖6 數(shù)值模擬驗(yàn)證模型Fig.6 Numerical simulation to validate the model

圖7 本文數(shù)值結(jié)果與DNV公式結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between the numerical results in this paper and the results of the DNV formula

1.4 計(jì)算方案

墜物撞擊能量、管道直徑、壁厚、鋼材等級(jí)及內(nèi)壓、飽和黏土海床強(qiáng)度及模量是海底管道損傷的主要影響因素。為建立墜物撞擊下海底管道損傷預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,使用本文數(shù)值模型對(duì)飽和黏土海床上海底管道墜物撞擊開展數(shù)值模擬分析。改變墜物速度,控制墜物能量在42～198 kJ范圍內(nèi),墜物能量覆蓋了98%的能量帶[7]。依據(jù)API Spec 5L[24]管線規(guī)范,常用的海底管道實(shí)際管徑范圍通常為0.5～1 m,工程中管道壁厚通常為17～25 mm,鋼材等級(jí)范圍X52～X80。本文分別選取海底管道直徑為0.70,0.75,0.80,0.85和0.90 m,海底管道壁厚分別為19,20,21,22,和23 mm,管道鋼材等級(jí)選取X52,X56,X60,X65和X70。管道輸送油氣資源時(shí),內(nèi)部通常處于高壓狀態(tài),常見壓力一般在10 MPa左右,最高不超過70 MPa[25-26]。本文分別取0(輸油管道關(guān)閉)和3,6,9,12 MPa共5種管道內(nèi)壓值,常見海洋飽和黏土的不排水抗剪強(qiáng)度Su在10～50 kPa之間[27-29],飽和黏土模量為(200～1 000)Su。已有研究[16]表明,飽和黏土彈性模量對(duì)海底管道損傷影響微小,本文僅考慮不排水抗剪強(qiáng)度的影響,不排水抗剪強(qiáng)度取Su=10,20,30,40,50 kPa,飽和黏土的彈性模量取500Su。計(jì)算方案中的影響因素涵蓋了絕大多數(shù)實(shí)際工程中的飽和黏土海床海底管道工作條件。本文制定了105組算例,分別研究管道直徑、壁厚、鋼材等級(jí)、管道內(nèi)壓以及海床不排水抗剪強(qiáng)度Su對(duì)海底管道損傷的影響,計(jì)算方案如表1所示。

表1 墜物撞擊海底管道計(jì)算方案Tab.1 Falling object impact calculation program for submarine pipelines

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 管道特性參數(shù)的影響

按照計(jì)算方案1—方案25開展計(jì)算,獲得不同管徑與墜物撞擊能量下海底管道損傷結(jié)果如圖8所示。從圖8可見,管道直徑為0.7 m時(shí),墜物能量42.5 kJ時(shí)引起的管道損傷為5.01%,墜物能量197.5 kJ時(shí)引起的管道損傷為17.67%。相同管道直徑下,隨著墜物能量的增加,管道損傷增大。從圖8還可知,墜物能量為170 kJ時(shí),管道直徑0.70,0.75,0.80,0.85,0.90 m引起的海底管道損傷依次為16.01%,15.36%,15.00%,14.70%和14.36%。這表明在相同墜物能量下,隨著管道直徑的增加,管道損傷減小。這是由于管道直徑增加,墜物和管道相接觸作用面的曲率減小,沖擊面積增大,對(duì)管道的撞擊作用減小,相應(yīng)的管道損傷也減小。

圖8 海底管道直徑與損傷關(guān)系Fig.8 Relationship between submarine pipeline diameter and damage

根據(jù)計(jì)算方案21—方案45,得到不同壁厚與墜物撞擊能量下海底管道損傷結(jié)果如圖9所示。由圖9可見,管道壁厚為19 mm時(shí),墜物能量42.5 kJ引起的管道損傷為6.66%,墜物能量為197.5 kJ時(shí)對(duì)管道引起的損傷為18.04%,相同管道壁厚下,墜物能量增加,管道損傷增大。由圖9還可以看出,墜物能量為170.0 kJ、管道壁厚分別為19,20,21,22,23 mm時(shí),海底管道的損傷依次為16.52%,16.12%,15.24%,14.52%和14.07%,表明在相同墜物能量下,管道壁厚增加,管道損傷減小。這是由于管道壁厚增加會(huì)提升管道的剛度,管道抵抗沖擊荷載作用下塑性變形的能力也相應(yīng)增加,從而使管道損傷相應(yīng)減小。

圖9 海底管道壁厚與損傷關(guān)系Fig.9 Relationship between wall thickness and damage in submarine pipelines

依照計(jì)算方案21—方案25、方案46—方案65,獲得了管道不同鋼材等級(jí)與撞擊能量作用下海底管道損傷結(jié)果,如圖10所示。文中管道鋼材等級(jí)X52,X56,X60,X65和X70分別代表管道屈服強(qiáng)度為370,400,450,480,和520 MPa。由圖10可知,管道鋼材等級(jí)為X52時(shí),墜物能量為42.5 kJ所引起的管道損傷為6.05%;墜物能量為197.5 kJ時(shí),對(duì)管道引起的損傷為17.18%。相同管道鋼材等級(jí)下,墜物能量增加,管道損傷越大。由圖10還可知,墜物能量為170 kJ時(shí),管道鋼材等級(jí)分別為X52,X56,X60,X65和X70所引起的管道損傷依次為15.73%,15.12%,14.37%,13.98%和13.43%,這表明相同墜物能量下,管道鋼材等級(jí)越高,管道損傷越小。這是由于管道鋼材等級(jí)提高會(huì)提升管道強(qiáng)度,與增加管道壁厚情形類似,管道在沖擊荷載作用下抵抗塑性變形的能力增加,從而使管道損傷減小。

圖10 海底管道鋼材等級(jí)與損傷關(guān)系Fig.10 Subsea pipeline steel grade and damage relationship

參照計(jì)算方案21—方案25和方案66—方案85,獲得了不同管道內(nèi)壓值與墜物撞擊能量下海底管道損傷情況,如圖11所示。從圖11可見,管道內(nèi)壓為0 MPa時(shí),墜物能量42.5 kJ所引起管道損傷為4.51%,墜物能量197.5 kJ時(shí)對(duì)管道引起的損傷為15.46%,由此可見,在相同管道內(nèi)壓情況下,墜物能量增大,管道損傷呈負(fù)指數(shù)函數(shù)增長且減小速率趨緩。從圖11還可知,墜物能量為170.0 kJ時(shí),管道內(nèi)壓為0,3,6,9和12 MPa所引起的管道損傷依次為14.37%,10.77%,8.66%,6.23%和4.20%,表明在相同墜物能量下,管道內(nèi)壓增加,管道損傷減小。這是由于管道內(nèi)壓增大,有助于提高管道抵抗外界撞擊的能力,減小管道損傷。

圖11 海底管道內(nèi)壓與損傷關(guān)系Fig.11 Relationship between internal pressure and damage in submarine pipelines

2.2 海床土不排水抗剪強(qiáng)度的影響

土體的不排水抗剪強(qiáng)度Su是反映土體特性的重要力學(xué)指標(biāo),也決定了土體強(qiáng)度及極限承載能力。在沖擊過程中,不排水抗剪強(qiáng)度的大小會(huì)在海底管道受墜物撞擊時(shí)影響接觸土體引起破壞及破壞的程度,并且在墜物撞擊海底管道這一沖擊過程中,土體的不排水抗剪強(qiáng)度Su增大,海床土吸收能減小,從而影響海底管道的損傷程度。依照計(jì)算方案21—方案25和方案86—方案105,得到如圖12所示的管道損傷與不排水抗剪強(qiáng)度關(guān)系圖。由圖12可以看出,不排水抗剪強(qiáng)度Su=10 kPa時(shí),墜物能量42.5 kJ所引起的管道損傷為4.51%,墜物能量197.5 kJ時(shí)對(duì)管道引起的損傷為15.46%,表明在相同不排水抗剪強(qiáng)度下,墜物能量增加,管道損傷增加。圖13分析了墜物能量為42.5 kJ時(shí),不排水抗剪強(qiáng)度與管道吸收能量及損傷關(guān)系圖。不排水抗剪強(qiáng)度Su=10,20,30,40,50 kPa,所產(chǎn)生的管道損傷依次為4.51%,4.96%,5.22%,5.30%和5.37%,表明相同墜物能量時(shí),土體不排水抗剪強(qiáng)度增加,管道損傷增大。這是由于海床土強(qiáng)度增加,土體變形和塑性區(qū)減小,土體吸收能量減小,管道吸收的能量增大,管道損傷增大。

圖12 海床土不排水抗剪強(qiáng)度與損傷關(guān)系Fig.12 Relationship between undrained shear strength and damage in seabed soils

圖13 海床土不排水抗剪強(qiáng)度與能量及損傷關(guān)系Fig.13 Undrained shear strength of seabed soils in relation to energy and damagea

3 海底管道損傷預(yù)測的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

本文建立的墜物撞擊下海底管道損傷預(yù)測的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種將誤差逆向傳播的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),包括輸入層、中間層(也稱為隱藏層)和輸出層,同層單元之間互不連接。模型的輸入層包括墜物撞擊能量、管道直徑、壁厚、內(nèi)壓和屈服強(qiáng)度、飽和黏土海床不排水抗剪強(qiáng)度6個(gè)參數(shù),管道損傷為輸出層。輸入層6個(gè)參數(shù)經(jīng)過中間隱藏層節(jié)點(diǎn)作用,與輸出層建立非線性映射關(guān)系,輸出管道損傷預(yù)測值。模型結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.14 BP neural network structure diagram

本文模型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程由正向傳播和誤差反向傳遞組成。在正向傳播過程中,輸入層不進(jìn)行任何處理,隱藏層對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行線性與非線性運(yùn)算,并且通過 Sigmoid 函數(shù)將不同大小的輸出值控制在(0,1)的范圍內(nèi),最后將結(jié)果傳送到輸出層,Sigmoid函數(shù)為[30]

(3)

式中:x為輸入層的6個(gè)特征參數(shù);f(x)為處理后的特征參數(shù)。

當(dāng)預(yù)測誤差較大,即誤差達(dá)不到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置的精度時(shí),將正向傳播的預(yù)測值進(jìn)行反向傳播。在誤差反向傳遞階段,按原來的通路逆向工作,采用梯度下降法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值和誤差進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,使預(yù)測值和真實(shí)值更為接近;同時(shí),通過調(diào)整學(xué)習(xí)因子與步長來調(diào)節(jié)權(quán)重矩陣和誤差,使誤差達(dá)到最小。其公式如下[31]:

(4)

式中:ΔWij為輸入層與隱藏層之間權(quán)重矩陣的誤差;n為時(shí)間步;η1為主要學(xué)習(xí)因子;η2為自適應(yīng)學(xué)習(xí)因子;φi為輸入層輸出節(jié)點(diǎn)的計(jì)算誤差;Oj為隱藏層節(jié)點(diǎn)輸出結(jié)果;μ為動(dòng)量因子;φ為步長;Hp(n)為時(shí)間步n的管道損傷值;Hp(n-1)為n-1時(shí)間步管道損傷值。

本文采用數(shù)值模擬的105組算例結(jié)果作為訓(xùn)練樣本,以管道直徑、壁厚、鋼材等級(jí)、內(nèi)壓、墜物撞擊能量和飽和黏土不排水抗剪強(qiáng)度為輸入?yún)?shù),代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,通過模型計(jì)算,輸出海底管道損傷,模型的允許誤差為10-5。經(jīng)過模型訓(xùn)練迭代52次,預(yù)測結(jié)果滿足精度要求,由此建立墜物撞擊下飽和黏土海床海底管道損傷預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與已有研究結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證

文獻(xiàn)[16]建立了墜物撞擊海底管道數(shù)值模型,計(jì)算了平鋪于黏土海床上海底管道受球形墜物撞擊引起的損傷,數(shù)值模擬中管道直徑0.4 m,管道壁厚12.7 mm,管道屈服強(qiáng)度360 MPa,楊氏模量為2×1011Pa,管道無內(nèi)壓,海床土的彈性模量為5 MPa,墜物能量在0.1～40.7 kJ范圍,其10組數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表2所示。利用本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型獲得相應(yīng)的海底管道損傷預(yù)測值,也如表2所示。

表2 與文獻(xiàn)[16]海底管道撞擊模型驗(yàn)證案例對(duì)比Tab.2 With documents [16] submarine pipeline impact model validation case

由表2可知,本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果與文獻(xiàn)[16]的數(shù)值結(jié)果最小偏差為0.31%,最大偏差為9.41%?？梢?本文模型預(yù)測結(jié)果與文獻(xiàn)[16]的數(shù)值結(jié)果基本一致。文獻(xiàn)[16]數(shù)值計(jì)算中,部分墜物能量在DNV規(guī)范范圍之外,這可能是一些結(jié)果偏差較大的原因?？傮w上,本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果可靠。

文獻(xiàn)[32]建立的墜物撞擊海底管道數(shù)值模型,計(jì)算了墜物能量范圍在10～400 kJ、管道直徑0.8～1 m、壁厚17～25 mm、鋼材等級(jí)X52～X70、管道內(nèi)壓0～8 MPa以及海床土不排水抗剪強(qiáng)度10～200 kPa條件下球形墜物撞擊引起的海底管道損傷。本文從文獻(xiàn)[32]的數(shù)值結(jié)果中選取10組作為本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證算例,10組算例結(jié)果如表3所示。該驗(yàn)證算例的主要參數(shù)如下:海床土不排水抗剪強(qiáng)度為10 kPa、土的彈性模量為5 MPa,管道屈服強(qiáng)度為450 MPa,管道無內(nèi)壓。

表3 與文獻(xiàn)[32]海底管道撞擊模型驗(yàn)證案例對(duì)比Tab.3 With documents [32] submarine pipeline impact model validation case

由表3可知,利用本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測海底管道損傷,預(yù)測結(jié)果與文獻(xiàn)[32]的數(shù)值結(jié)果偏差在10%以內(nèi),數(shù)值結(jié)果基本相符,表明本文構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果可靠。

5 結(jié) 語

本文在ABAQUS下使用顯式動(dòng)力非線性分析方法建立了墜物撞擊海底管道損傷的有限元模型,利用該模型開展數(shù)值分析,結(jié)合實(shí)際海底管道工作條件參數(shù)變化范圍,研究了管道直徑、壁厚、鋼材等級(jí)、內(nèi)壓、土體不排水抗剪強(qiáng)度和墜物撞擊能量6個(gè)因素對(duì)海底管道損傷的影響規(guī)律;將6個(gè)因素作為輸入層參數(shù),以海底管道損傷作為輸出參數(shù),以數(shù)值模擬結(jié)果作為訓(xùn)練樣本,通過學(xué)習(xí)、訓(xùn)練,構(gòu)建形成了海底管道損傷預(yù)測的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并對(duì)模型預(yù)測結(jié)果的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證,得到如下結(jié)論。

1)墜物撞擊能量越大,管道損傷越大,管道損傷增長速率隨墜物撞擊能量的增大而趨緩,墜物能量由42.5 kJ增加到197.5 kJ,管道損傷由5.01%增加至17.67%。

2)管道直徑從0.7 m增加到0.9 m,管道損傷由16.01%降低到14.36%;管道壁厚由19 mm增加至23 mm,管道損傷從16.52%降低到14.07%。管道直徑、壁厚越大,管道損傷越小;鋼材等級(jí)越高,管道內(nèi)壓越大,管道損傷越小。

3)飽和黏土海床不排水抗剪強(qiáng)度增加,海底管道損傷增加,這主要是由于不排水抗剪強(qiáng)度越大,土體吸收的撞擊能量減小,管道吸收撞擊變形的能量增加。

4)建立的海底管道損傷BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型能夠較好地預(yù)測飽和黏土海床海底管道受墜物撞擊的損傷情況。另外,本文數(shù)值算例涵蓋了常見飽和黏土海床海底管道的工作條件,建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測海底管道損傷僅需墜物撞擊能量、管道直徑、壁厚、鋼材等級(jí)、內(nèi)壓和海床土不排水抗剪強(qiáng)度6個(gè)參數(shù),模型簡單、便捷,適用性好,為海底管道損傷預(yù)測提供了新思路。

下一步將進(jìn)一步探究管道埋深、雙層管道結(jié)構(gòu)等對(duì)海底管道損傷的影響及預(yù)測方法。