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海底管道是海洋油氣開(kāi)采與儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的重要組成部分，其鋪設(shè)施工的重要環(huán)節(jié)是將管道安全拖運(yùn)至預(yù)定海域。管道在拖運(yùn)過(guò)程中易受風(fēng)、浪和流的作用，加之管道長(zhǎng)幾百米，因此，為確保管道安全，分析管道在拖運(yùn)過(guò)程中的強(qiáng)度極其重要。目前專(zhuān)業(yè)的管道分析軟件有Offpipe和Autopipe，但尚無(wú)基于商業(yè)軟件ANSYS的專(zhuān)用模塊，海面浮拖海管過(guò)程的有限元分析方法，尚未包括在商業(yè)軟件中。以ANSYS為基礎(chǔ)，利用其二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，定制用戶界面和宏文件，將復(fù)雜繁瑣的GUI界面操作封裝成用戶自己的程序，形成專(zhuān)一的工程分析程序。用戶只需在對(duì)話框中輸入所需的參數(shù)，系統(tǒng)將通過(guò)已編制的宏文件自動(dòng)完成浮筒配置、載荷施加、邊界約束、求解計(jì)算、應(yīng)力校核和結(jié)果輸出。對(duì)于不同的分析，只需要改變相關(guān)參數(shù)，從而避免重復(fù)操作，提高了分析效率。
將海洋管道在陸地預(yù)制場(chǎng)焊接為一定長(zhǎng)度的管段，涂敷防腐層后，用起吊裝置將預(yù)制管道吊至與之平行的滑道上，再將浮筒按一定間距綁扎在管道上，選擇在風(fēng)平浪靜的時(shí)候用拖船將管道拖運(yùn)下水。管道被拖運(yùn)至目的地后，潛水員將浮筒逐個(gè)釋放，使管道沉至海管道下水后需要借助浮筒提供的浮力調(diào)節(jié)管體的受力狀態(tài)，使其漂浮在水面，為防止管道下沉，系綁于管道上的各浮筒所提供的有效浮力之和應(yīng)大于管道的實(shí)際負(fù)浮力。為減小浮拖阻力，浮筒分三段配置，首尾兩段浮筒間距比中間段浮筒間距小，確保管道兩端的浮力大于中間的浮力。
浮拖時(shí)管道全部沒(méi)入水中，浮筒露出水面很少，風(fēng)載荷可忽略不計(jì)，主要考慮的環(huán)境載荷為波、流載荷，此外尚需考慮流體阻力及所有拖船的拖帶力。管道上的波流力依莫里森方程計(jì)算。認(rèn)為水與管道間的相當(dāng)管道在靜水中處于平衡狀態(tài)時(shí)，每個(gè)浮筒對(duì)管道提供向上的定常浮力，該浮力用垂直向上的力F表示。但是在波浪中拖運(yùn)時(shí)一，浮筒提供的浮力發(fā)生變化，管道向上運(yùn)動(dòng)時(shí)一浮力減小，管道下沉?xí)r一浮力增加，該變化的浮力由彈性力表示。因此，浮筒在豎直方向上對(duì)管道的作用通過(guò)集中力F與彈性力共同模擬，彈性力相當(dāng)于對(duì)管道施加彈性支撐，管道在浮拖過(guò)程中一般采用首尾和側(cè)拖輪。側(cè)拖輪的拖力用于平衡側(cè)向水流，抵消波浪和海流在側(cè)向?qū)艿赖妮d荷，限制管道產(chǎn)生過(guò)大水平彎曲變形。本程序在拖纜位置，設(shè)置簡(jiǎn)支約束。
主菜單控制通過(guò)修改ANSYS安裝目錄下的UIMENU.GRN文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在菜單塊MENUROOT中添加Men_myproject；對(duì)話框控制通過(guò)修改ANSYS安裝目錄下的UIFUNC2.GRN文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。成功實(shí)現(xiàn)菜單到對(duì)話框的連接后，通過(guò)“InputRealconstant"，彈出參數(shù)輸入對(duì)話框。APDL語(yǔ)言是一種解釋性的文本語(yǔ)言，它可以將GUI操作全部解釋成文本，實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模、定義材料屬性、定義實(shí)常數(shù)、劃分網(wǎng)格、定義載荷和邊界條件、分析控制和求解以及后處理的全過(guò)程[fs70將全部有限元分析過(guò)程用APDL寫(xiě)進(jìn)float.mac文本文件。mac文件統(tǒng)一存放在ANSYS安裝目錄下的APDL文件夾中，通過(guò)對(duì)話框直接調(diào)用該mac文件。本例中，通過(guò)Cal命令實(shí)現(xiàn)對(duì)話框?qū)ac文件的調(diào)用，通過(guò)*GET命令實(shí)現(xiàn)mac文件中變量的賦值，即將對(duì)話框中的輸入數(shù)據(jù)賦給mac文件中的變量。
算例管道長(zhǎng)450m，外管直徑559mm，外管壁厚17.5mm，外管密度7850kg/m3，外管彈性模量2.07Xe11Pa，外管泊松比0.3，內(nèi)管直徑406.4mm，內(nèi)管壁厚15.9mm，內(nèi)管密度7850kg/m3，內(nèi)管彈性模量2.07X109Pa，內(nèi)管泊松比0.3，保溫層密度50kg/m3，保溫層厚度50mm，外防腐層密度940kg/m3，外防腐層厚度2.8mm，浮筒長(zhǎng)度2m，浮筒直徑900mm，有效浮力1000kg，波高0.8m，周期6s，海流速度1m/s，海流方向與波浪入射方向一致，波流力垂直于拖帶方向，拖輪速度2m/s。利用強(qiáng)度分析程序進(jìn)行計(jì)算。
利用ANSYS提供的二次開(kāi)發(fā)工具完成了程序界面的設(shè)計(jì)，將海洋工程中管道漂浮拖運(yùn)過(guò)程的強(qiáng)度分析做成一個(gè)專(zhuān)一的程序模塊，內(nèi)置于ANSYS菜單，方便海洋管道浮拖強(qiáng)度分析，提高了計(jì)算效率。建模、加載、計(jì)算、校核及輸出全部實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，同時(shí)為后續(xù)的模塊升級(jí)奠定了基礎(chǔ)。另外，由于ANSYS具有良好的開(kāi)放性，提供了與多種軟件的接口，因此，也可以結(jié)合其他軟件，比如VB等，對(duì)ANSYS進(jìn)行聯(lián)合二次開(kāi)發(fā)，以得到更具專(zhuān)業(yè)性、功能更強(qiáng)大的管道拖運(yùn)分析程序。
專(zhuān)業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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