馬曉麗，劉衍聰，李成凱，范常峰，伊 鵬，殷克平，崔蘭芳

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580；2.青島理工大學(xué)，山東 青島266033；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；4.煙臺(tái)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)配件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，山東 煙臺(tái)264003）①

在海上完成海底管道對(duì)接作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)及施工難度較大，設(shè)計(jì)合理的管道對(duì)接施工方案尤為重要，相應(yīng)的管道對(duì)接過(guò)程的模擬仿真數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果又是設(shè)計(jì)施工方案的重要參考依據(jù)［1－2］。因此，海底管道對(duì)接模擬仿真軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用成為降低海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、提高施工效率的重要保障。

OFFPIPE軟件是國(guó)內(nèi)海底管道鋪管設(shè)計(jì)中較常用的分析軟件，存在建模不夠精確、手動(dòng)操作過(guò)程較繁瑣以及輸出結(jié)果難于被數(shù)據(jù)處理軟件讀取等缺點(diǎn)。OFFPIPE軟件是基于DOS系統(tǒng)的程序，必須用鍵盤(pán)手動(dòng)輸入各種海洋參數(shù)與施工參數(shù)，輸出的圖表無(wú)法保存和再次查詢(xún)，結(jié)果數(shù)據(jù)文件格式復(fù)雜多樣，很難被數(shù)據(jù)處理軟件讀取和利用，不利于操作人員的后期調(diào)用和校驗(yàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，往往需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，這就使得設(shè)計(jì)人員只能重復(fù)地手動(dòng)輸入?yún)?shù)，然后人工觀(guān)察輸出文件中的數(shù)據(jù)結(jié)果，反復(fù)調(diào)整直到得出合適的數(shù)據(jù)結(jié)果為止。這種耗費(fèi)大量時(shí)間，重復(fù)輸入與測(cè)試的管道模擬軟件大幅降低了設(shè)計(jì)與計(jì)算效率［3－5］。針對(duì)海底管道對(duì)接的仿真模擬，國(guó)內(nèi)沒(méi)有成型的軟件可以實(shí)現(xiàn)，筆者通過(guò)管道對(duì)接施工過(guò)程建模分析，探索利用Abaqus非線(xiàn)性模擬軟件實(shí)現(xiàn)海底管道的對(duì)接模擬仿真的方法，采用面向?qū)ο蟮能浖脚_(tái)Visual Studio中的Visual Basic來(lái)構(gòu)建基于Windows系統(tǒng)的海底管道對(duì)接模擬仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)便于設(shè)計(jì)人員操作、方便數(shù)據(jù)分析和調(diào)用存儲(chǔ)的海底管道模擬仿真平臺(tái)。

1 海底管道對(duì)接建模

海底管道的對(duì)接過(guò)程需要考慮多種動(dòng)、靜載荷及海底流速、海床參數(shù)、波浪相位角等海洋環(huán)境參數(shù)，因此管道對(duì)接過(guò)程是個(gè)高度非線(xiàn)性問(wèn)題。Abaqus軟件具有較強(qiáng)的非線(xiàn)性計(jì)算能力，在結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜載荷非線(xiàn)性計(jì)算方面比ANSYS等其他軟件更加擅長(zhǎng)。因此，采用Abaqus軟件完成非線(xiàn)性管道對(duì)接模擬仿真可使模擬仿真數(shù)據(jù)結(jié)果更可靠。

海洋管道在海上的對(duì)接可分為3個(gè)階段，即提吊階段、端口調(diào)平對(duì)接階段和工程船側(cè)移沉放階段［5］。Abaqus軟件主要模擬海底管道的提吊階段和工程船側(cè)移沉放階段，如圖1所示。

圖1 海底管道對(duì)接施工過(guò)程示意

管道對(duì)接過(guò)程力學(xué)模型由海床、海底管道、吊纜和舷吊4個(gè)承載研究對(duì)象組成，在Abaqus軟件中建立右手直角坐標(biāo)系力學(xué)模型［5－6］，如圖2所示。管道自由提吊端為坐標(biāo)系原點(diǎn)，管道水平面軸線(xiàn)為x軸，x軸方向從自由提吊端指向管道延伸方向；平行于海平面并垂直于管道水平軸線(xiàn)的為z軸，z軸方向從管道指向外側(cè)；垂直于海平面和管道水平軸線(xiàn)為y軸，y軸方向沿管道豎直方向指向上方。海床為全約束，管道的自由端約束繞y軸旋轉(zhuǎn)為0°，吊纜的舷吊與管道的隨動(dòng)端均為x、y、z位移全約束。

圖2 海底管道對(duì)接過(guò)程數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)動(dòng)、靜載荷分析和海洋參數(shù)的設(shè)定［7－9］，利用Abaqus軟件對(duì)海底管道對(duì)接過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，圖3a與圖3b分別為管道提吊與沉放過(guò)程的Abaqus計(jì)算模擬仿真過(guò)程。對(duì)比如圖1所示的提吊與沉放過(guò)程，可以看出模擬仿真效果較好，且便于查看和分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)［10－13］。由此，Abaqus軟件對(duì)管道對(duì)接過(guò)程建?？勺鳛楹５坠艿缹?duì)接模擬仿真平臺(tái)的內(nèi)核運(yùn)算過(guò)程來(lái)調(diào)用。

圖3 海底管道對(duì)接過(guò)程模擬仿真

2 管道仿真軟件結(jié)構(gòu)框架

海底管道對(duì)接模擬仿真平臺(tái)要便于設(shè)計(jì)人員操作，方便修改施工參數(shù)，及時(shí)跟蹤仿真進(jìn)程，易于查看和分析數(shù)據(jù)結(jié)果。因此，將軟件結(jié)構(gòu)框架分為4個(gè)模塊，即參數(shù)輸入前處理模塊、模擬仿真求解模塊、數(shù)據(jù)后處理模塊和輔助功能模塊［14－15］，軟件整體構(gòu)架如圖4。模塊間相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立，任何1個(gè)模塊內(nèi)參數(shù)修改，其他關(guān)聯(lián)的模塊內(nèi)參數(shù)相應(yīng)地改變，可實(shí)現(xiàn)局部變量的修改帶動(dòng)全局變量的修改，解決了類(lèi)似OFFPIP軟件調(diào)試過(guò)程需要重復(fù)操作輸入每個(gè)參數(shù)的問(wèn)題。該軟件結(jié)構(gòu)框架的運(yùn)行模式極大地提高了設(shè)計(jì)人員調(diào)試軟件的效率。

圖4 軟件整體構(gòu)架

在設(shè)計(jì)模擬仿真軟件平臺(tái)的組織界面上，參考了其他商業(yè)軟件和工程應(yīng)用軟件的組織界面特點(diǎn)，由于目錄樹(shù)界面具有界面可視化程度高、便于軟件調(diào)用和顯示的特點(diǎn)，模擬軟件平臺(tái)采用了目錄樹(shù)Tree View控件，來(lái)實(shí)現(xiàn)4個(gè)主要功能模塊的調(diào)用和切換。在各個(gè)模塊功能實(shí)現(xiàn)上，使用多個(gè)Form與Frame窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)觸發(fā)Tree View的Node－Click事件來(lái)完成各個(gè)模塊間的觸發(fā)調(diào)用。

3 管道仿真軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)輸入前處理

海底管道的類(lèi)型主要分為單臂管結(jié)構(gòu)、雙層保溫結(jié)構(gòu)、單臂混凝土配重層結(jié)構(gòu)3種，所以參數(shù)輸入分為3個(gè)輸入部分，在各個(gè)部分中都擁有管道參數(shù)、海洋參數(shù)、提吊過(guò)程參數(shù)和沉放過(guò)程參數(shù)4個(gè)輸入子模塊，如圖5所示。在輸入所有參數(shù)的同時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的Form窗口用來(lái)輸入相應(yīng)的參數(shù)，內(nèi)部程序建立相應(yīng)的存儲(chǔ)文件，把輸入的相應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，以便于后期調(diào)試和修改參數(shù)之用。

前處理的目的在于方便設(shè)計(jì)人員輸入?yún)?shù)和調(diào)試、修改參數(shù)，并能為后續(xù)模擬仿真提供前處理數(shù)據(jù)。由此，前處理程序最后1步是生成Abaqus軟件可以后臺(tái)運(yùn)行的＊.inp文件，在前處理程序中嵌套3種管道類(lèi)型對(duì)應(yīng)的＊.inp文件生成子程序，在修改輸入?yún)?shù)保存后，其后臺(tái)自動(dòng)修改相應(yīng)的＊.inp文件，為后續(xù)的求解模塊生成可調(diào)用Abaqus模擬仿真的命令流文件。

3.2 模擬仿真求解

求解模塊是后臺(tái)調(diào)用運(yùn)行Abaqus的程序模塊，基于前處理生成出來(lái)的＊.inp文件。求解模塊選擇相應(yīng)的管道類(lèi)型，進(jìn)行后臺(tái)調(diào)用Abaqus程序模擬仿真海底管道對(duì)接過(guò)程，如圖6所示。

圖5 前處理模塊流程

圖6 求解模塊流程

Abaqus程序的調(diào)用可以通過(guò)內(nèi)部接口實(shí)現(xiàn)，為了進(jìn)行后臺(tái)調(diào)用程序，管道對(duì)接模擬程序通過(guò)設(shè)置批處理文件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)用Abaqus程序。運(yùn)行批處理文件，即通過(guò)Windows自帶的命令提示符程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。批處理文件中寫(xiě)入CALL ABAQUS JOB＝“inp文件路徑”即可調(diào)用 Abaqus程序。通過(guò)Check ExeIsRun（“standard.exe”）來(lái)檢測(cè) Abaqus程序是否運(yùn)算完成。求解模塊最終運(yùn)算結(jié)束將生成＊.ODB文件，所有計(jì)算過(guò)程參數(shù)和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)全在＊.ODB文件中，為后處理模塊調(diào)用分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)后處理

后處理模塊功能是顯示模擬仿真的圖像數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)調(diào)用計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果。計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果包括海底管道的提吊和沉放過(guò)程的變形、MISS應(yīng)力與彎矩?cái)?shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 后處理模塊流程

由于Abaqus軟件中自帶有Python語(yǔ)言編譯器，模擬仿真平臺(tái)可根據(jù)計(jì)算模塊生成的＊.ODB文件，通過(guò)預(yù)設(shè)的Python語(yǔ)言的＊.py文件從＊.ODB數(shù)據(jù)結(jié)果文件中提取出計(jì)算的力學(xué)參數(shù)。通過(guò)TeeChart控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像的顯示和存儲(chǔ)功能，如圖8所示。工程人員可以根據(jù)所要控制的懸跨段彎矩，計(jì)算得到所需的張緊力和入水角。施工模擬及實(shí)際施工過(guò)程中，工程人員可通過(guò)相關(guān)的圖表確定各類(lèi)參數(shù)的變化規(guī)律，及時(shí)控制管道鋪設(shè)的相關(guān)參數(shù)［3］。

3.4 輔助功能

輔助功能是為了方便設(shè)計(jì)者調(diào)試程序而設(shè)置的模塊，其功能嵌入到各個(gè)模塊中，具有參數(shù)輸入過(guò)程的數(shù)值參考值與單位換算；計(jì)算過(guò)程中給予模擬仿真程序運(yùn)行計(jì)算進(jìn)程提示；數(shù)據(jù)顯示中提供分析數(shù)據(jù)圖像的放大功能、調(diào)節(jié)圖像色彩功能、3D圖像顯示功能、圖像保存功能以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為EXCEL文件格式的功能。

如圖8所示，管道對(duì)接模擬仿真軟件是基于Visual Studio中的Visual Basic來(lái)構(gòu)建基于 Windows系統(tǒng)的海底管道對(duì)接模擬仿真平臺(tái)。因此，其輔助功能擴(kuò)展能力是非常強(qiáng)大的，可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的要求更新程序功能。其輸入模塊界面如圖8a與8b所示，輸出數(shù)據(jù)圖像界面如圖8c與8d所示。

圖8 海底管道模擬仿真軟件操作界面

4 軟件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

本文給出的海底管道對(duì)接模擬仿真軟件平臺(tái)具有通用的易于自主開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展接口，可在程序中打開(kāi)和調(diào)用第三方軟件，復(fù)制參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸和拷貝到軟件平臺(tái)，也可調(diào)用接口直接嵌套第三方軟件。

Abaqus軟件后臺(tái)運(yùn)行的數(shù)據(jù)結(jié)果＊.ODB文件中包含了管道對(duì)接全過(guò)程的所有數(shù)據(jù)文件，不只是此開(kāi)發(fā)軟件計(jì)算出來(lái)的變形、MISS應(yīng)力與彎矩，還可以通過(guò)內(nèi)部程序的計(jì)算得出張緊力、水平力、懸跨段彎矩、懸跨段長(zhǎng)度及管道與托管架的分離角之間的關(guān)系。由此，海底管道對(duì)接模擬仿真平臺(tái)不局限于現(xiàn)有的應(yīng)用，還可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)工作的需要繼續(xù)開(kāi)發(fā)新用途、新功能。

5 結(jié)論

1） 基于海底管道對(duì)接過(guò)程數(shù)值建模分析，探索利用Abaqus非線(xiàn)性模擬軟件實(shí)現(xiàn)海底管道對(duì)接模擬仿真的方法。采用面向?qū)ο蟮能浖脚_(tái)Visual Studio中的Visual Basic，構(gòu)建基于 Windows系統(tǒng)的海底管道對(duì)接模擬仿真平臺(tái)，初步建立了一種界面操作功能優(yōu)于OFFPIPE軟件的管道分析軟件平臺(tái)，便于設(shè)計(jì)人員操作和分析調(diào)用結(jié)果數(shù)據(jù)，提高了管道模擬分析的效率。

2） 分析了管道模擬軟件的參數(shù)輸入前處理模塊、模擬仿真求解模塊、數(shù)據(jù)后處理模塊和輔助功能模塊的軟件流程及關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)原理，為同類(lèi)模擬軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供了軟件構(gòu)架參考。軟件平臺(tái)可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)顯示張緊力、水平力、懸跨段彎矩、懸跨段長(zhǎng)度及管道與托管架的分離角等管道對(duì)接過(guò)程參數(shù)的功能，將在海底管道鋪設(shè)相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景。

［1］ 劉然，王長(zhǎng)江，張連宇.油氣管道彎管試壓技術(shù)方案研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（5），12－15.

［2］ 白寧，趙冬巖.基于OFFPIPE的海底管道S型鋪設(shè)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.石油工程建設(shè)，2011，37（3）：14－20.

［3］ 孫成贊，王允.OFFPIP軟件在海底管道鋪設(shè)中的應(yīng)用［J］.石油工程建設(shè)，2005，31（5）：49－52.

［4］ 王雷，徐興平，王言哲，等.懸跨海底管道犁式填埋設(shè)備設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（8）：45－51.

［5］ 倫冠德.海洋管道海上對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2011.

［6］ 費(fèi)康，劉漢龍.邊界面模型在ABAQUS的開(kāi)發(fā)應(yīng)用［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，10（5）：447－451.

［7］ 曾曉輝，柳春圖，邢靜忠.海底管道鋪設(shè)的力學(xué)分析［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2002，24（2）：19－21.

［8］ 程棟棟.復(fù)雜條件下海底管線(xiàn)與土相互作用研究［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

［9］ 戴英杰，宋甲宗，馮剛.海底管道收棄管作業(yè)分析［J］.海洋工程，2000，18（3）：75－78.

［10］ 時(shí)黎霞，李志剛，趙冬巖，等.海底管道回接技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（5）：106－108.

［11］ Mckeehan D S，F(xiàn)reet T G.Deepwater flow line tie－ins and jumpers：What works best［C］∥Dallas：Proceedings－Annual Offshore Technology Conference，1993：73－82.

［12］ 晏勇，馬培蓀，王道炎，等.深海ROV及其作業(yè)系統(tǒng)綜述［J］.機(jī)器人，2005，27（1）：82－88.

［13］ 倫冠德，劉衍聰，伊鵬，等.海流及海床摩擦對(duì)油氣管道提吊及沉放影響分析［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2013，40（1）：111－116.

［14］ Guande LUN，Yancong LIU，Peng YI，et al.Design of dynamic control on underwater vehicle［J］.Applied Mechanics and Mechanicals，2012，138－139：333－338.

［15］ Lun Guande，Liu Yancong，Yi Peng，et al.Based on volume changes the design of underwater hydraulic pressure compensation system analysis［J］.American Journal of Engineering and Technology Research，2011，12（11）：1038－1043.