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海底管道是海洋油氣開采與儲運系統(tǒng)的重要組成部分，其鋪設(shè)施工的重要環(huán)節(jié)是將管道安全拖運至預(yù)定海域。管道在拖運過程中易受風(fēng)、浪和流的作用，加之管道長幾百米，因此，為確保管道安全，分析管道在拖運過程中的強度極其重要。目前專業(yè)的管道分析軟件有Offpipe和Autopipe，但尚無基于商業(yè)軟件ANSYS的專用模塊，海面浮拖海管過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)，利用其二次開發(fā)語言，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，形成專一的工程分析程序。用戶只需在對話框中輸入所需的參數(shù)，系統(tǒng)將通過已編制的宏文件自動完成浮筒配置、載荷施加、邊界約束、求解計算、應(yīng)力校核和結(jié)果輸出。對于不同的分析，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)制場焊接為一定長度的管段，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)平浪靜的時候用拖船將管道拖運下水。管道被拖運至目的地后，潛水員將浮筒逐個釋放，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)大于管道的實際負浮力。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。
浮拖時管道全部沒入水中，浮筒露出水面很少，風(fēng)載荷可忽略不計，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算。認為水與管道間的相當(dāng)管道在靜水中處于平衡狀態(tài)時，每個浮筒對管道提供向上的定常浮力，該浮力用垂直向上的力F表示。但是在波浪中拖運時一，浮筒提供的浮力發(fā)生變化，管道向上運動時一浮力減小，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管道的作用通過集中力F與彈性力共同模擬，彈性力相當(dāng)于對管道施加彈性支撐，管道在浮拖過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)生過大水平彎曲變形。本程序在拖纜位置，設(shè)置簡支約束。
主菜單控制通過修改ANSYS安裝目錄下的UIMENU.GRN文件來實現(xiàn)。在菜單塊MENUROOT中添加Men_myproject；對話框控制通過修改ANSYS安裝目錄下的UIFUNC2.GRN文件來實現(xiàn)。成功實現(xiàn)菜單到對話框的連接后，通過“InputRealconstant"，彈出參數(shù)輸入對話框。APDL語言是一種解釋性的文本語言，它可以將GUI操作全部解釋成文本，實現(xiàn)實體建模、定義材料屬性、定義實常數(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程[fs70將全部有限元分析過程用APDL寫進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，通過對話框直接調(diào)用該mac文件。本例中，通過Cal命令實現(xiàn)對話框?qū)ac文件的調(diào)用，通過*GET命令實現(xiàn)mac文件中變量的賦值，即將對話框中的輸入數(shù)據(jù)賦給mac文件中的變量。
算例管道長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。利用強度分析程序進行計算。
利用ANSYS提供的二次開發(fā)工具完成了程序界面的設(shè)計，將海洋工程中管道漂浮拖運過程的強度分析做成一個專一的程序模塊，內(nèi)置于ANSYS菜單，方便海洋管道浮拖強度分析，提高了計算效率。建模、加載、計算、校核及輸出全部實現(xiàn)參數(shù)化，同時為后續(xù)的模塊升級奠定了基礎(chǔ)。另外，由于ANSYS具有良好的開放性，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ANSYS進行聯(lián)合二次開發(fā)，以得到更具專業(yè)性、功能更強大的管道拖運分析程序。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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