基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法及系统

本发明涉及石油管道腐蚀状态监测，具体为基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法及系统。

背景技术：

1、目前，国内外石化企业主要采用各类机械仪表和电磁传感器对管道的健康状况进行监测，这些方法多依赖于定期的人工巡检，具有不连贯性，检测结果也和工作人员的技术水平有关。石化管道健康状况检测必须要在进行精确的异常定位和及时预警的前提下，保证管道系统的正常生产作业不受影响。并且由于电类传感器产生的信号必须要经过放大处理才能传输，因此需要在离传感器探头较近的地方安装相应的信号放大处理电路元件，并进行处理后才能传送到远端的控制系统，在这期间还可能引起信号失真，数据可靠性大大降低。而且电类传感都不具备本征防爆特性，且信号容易受到电磁干扰影响，在使用中有诸多受限，必须进行防爆处理。在石化特殊工况下长期工作电路系统存在极大的稳定性的问题，使得该类传感器在石化行业使用受到很大局限性。

2、目前，现有的分布式声光纤的增敏方式主要采用光纤外部增敏方法，即将现有的光纤固定于薄膜、薄板、圆筒等外部增敏结构上，由于在外部增添增敏元件会增加整个系统的复杂性成本，同时由于外部增敏引进了更多的组件和连接点，增加了系统故障的风险以及对于传感器的维护和校准会变得更加复杂。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的石油管道腐蚀状态监测方法存在管道的安全性和可靠性低，准确性低，管道统的整体监测和预警能力低，以及管道振动分析的精度低的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法，包括基于增敏需要构建基于连续-非连续分析的应力场-声信号非线性耦合的振动力学运动模型；根据沿管道轴向运动的油气引起的管道横向振动方程构建管道有限元模型；通过弹性力学和弹光效应分析不同的光纤材料与光缆结构对于声压的灵敏程度。

4、作为本发明所述的基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法的一种优选方案，其中：所述基于增敏需要构建基于连续-非连续分析的应力场-声信号非线性耦合的振动力学运动模型包括针对石化装置管道缠绕布置分布式线性传感器的增敏需要，构建基于连续-非连续分析的应力场-声信号非线性耦合的振动力学运动模型，采用hamilton原理建立流固耦合管道振动模型，表示为：

5、

6、其中，δw代表非保守力在虚位移上做得功，t代表单位管道的动能，v代表单位管道的势能，t1、t2代表整个过程的起始时间。

7、作为本发明所述的基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法的一种优选方案，其中：所述基于增敏需要构建基于连续-非连续分析的应力场-声信号非线性耦合的振动力学运动模型包括构建流固耦合管道振动元素模型，包括非保守力在虚位移功模型，单位管道的动能模型以及单位管道的势能模型，表示为

8、

9、其中，l为管道长度，mp为单位长度管道质量，mf为单位长度管道内流体介质质量，v代表介质流速，y代表了管道的横向位移e为管道弹性模量，i为管道的横截面惯性矩阵，a为管道的横截面积，p为内部介质压强，δy表示管道横向位移的微小变化量。

10、作为本发明所述的基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法的一种优选方案，其中：所述根据沿管道轴向运动的油气引起的管道横向振动方程构建管道有限元模型包括对管道振动能量方程输出，利用分部积分法输出，并基于能量守恒方程简化表示为：

11、

12、其中，l为管道长度，mp为单位长度管道质量，mf为单位长度管道内流体介质质量，v代表介质流速，y代表了管道的横向位移e为管道弹性模量，i为管道的横截面惯性矩阵。

13、作为本发明所述的基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法的一种优选方案，其中：所述根据沿管道轴向运动的油气引起的管道横向振动方程构建管道有限元模型包括取δy为0的边界条件，输出沿管道轴向运动的油气引起的管道横向振动的微分方程表示为：

14、

15、其中，i为管道的横截面惯性矩阵，a为管道的横截面积，p为内部介质压强，e表示能量；

16、将单位长度的管道视为由若干个有限元组成，建立管道有限元模型，表示为：

17、δy＝[n(x)]δ{ω(t)}

18、其中，[n(x)]表示有限元模型形函数的矩阵，{ω(t)}为有限元位移向量。

19、作为本发明所述的基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法的一种优选方案，其中：所述根据沿管道轴向运动的油气引起的管道横向振动方程构建管道有限元模型包括管道运动微分方程输出经有限元离散化处理后的运动方程：

20、

21、其中，表示单元质量，表示单元阻尼，表示单元刚度，表示耦合阻尼，表示耦合刚度，{f}e＝[n]t{f(t)}表示单元振动向量；

22、影响管道振动的因素包括单位长度下管道及流体介质的质量、管道弹性模量，管道的横截面惯性矩阵、介质流速、内部压强、管道的横截面积。

23、作为本发明所述的基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法的一种优选方案，其中：所述通过弹性力学和弹光效应分析不同的光纤材料与光缆结构对于声压的灵敏程度包括通过仿真从弹性力学和弹光效应分析以获取光纤包层材料对于声压的灵敏程度，拟通过包层的掺磷浓度获取高应变灵敏度石英光纤，采用超低反射率啁啾光栅对构成f-p谐振单元感受声学信号。

24、本发明的另外一个目的是提供一种基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建系统，其能通过构建基于连续-非连续分析的应力场-声信号非线性耦合的振动力学运动模型，解决了目前的石油管道腐蚀状态监测方法含有管道的安全性和可靠性低的问题。

25、作为本发明所述的基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建系统的一种优选方案，其中：包括振动力学运动模型构建模块，管道有限元模型构建模块，声压灵敏程度收集模块；所述振动力学运动模型构建模块用于构建基于连续-非连续分析的应力场-声信号非线性耦合的振动力学运动模型；所述管道有限元模型构建模块用于分析影响管道振动的因素；所述声压灵敏程度收集模块用于通过仿真从弹性力学和弹光效应分析以获取光纤包层材料对于声压的灵敏程度

26、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法的步骤。

27、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法的步骤。

28、本发明的有益效果：本发明提供的基于应力场声信号非线性耦合的振动力学搭建方法通过构建基于连续-非连续分析的应力场-声信号非线性耦合的振动力学运动模型，实现对管道振动状态的精确模拟，更好地预测管道在不同应力条件下的响应，从而提高管道的安全性和可靠性，通过构建管道有限元模型，提高管道振动分析的精度和细致程度，更好地指导实际工程中的管道布置和防振措施，通过弹性力学和弹光效应分析光纤材料与光缆结构对于声压的灵敏程度，提高光纤传感器在实际应用中的灵敏度和准确性，有助于更精确地监测管道内部的振动和应力变化，从而提升管道系统的整体监测和预警能力，本发明在安全性、预测准确性以及稳定性方面都取得更加良好的效果。