石油管道海底對接過程力學仿真軟件平臺設計

馬曉麗，劉衍聰，李成凱，范常峰，伊 鵬，殷克平，崔蘭芳

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島266580；2.青島理工大學，山東 青島266033；3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；4.煙臺市產品質量監督檢驗所 國家機動車配件產品質量監督檢驗中心，山東 煙臺264003）①

在海上完成海底管道對接作業的風險及施工難度較大，設計合理的管道對接施工方案尤為重要，相應的管道對接過程的模擬仿真數據計算結果又是設計施工方案的重要參考依據［1－2］。因此，海底管道對接模擬仿真軟件的設計與應用成為降低海上作業風險、提高施工效率的重要保障。

OFFPIPE軟件是國內海底管道鋪管設計中較常用的分析軟件，存在建模不夠精確、手動操作過程較繁瑣以及輸出結果難于被數據處理軟件讀取等缺點。OFFPIPE軟件是基于DOS系統的程序，必須用鍵盤手動輸入各種海洋參數與施工參數，輸出的圖表無法保存和再次查詢，結果數據文件格式復雜多樣，很難被數據處理軟件讀取和利用，不利于操作人員的后期調用和校驗。在實際設計工作中，往往需要對各項參數進行多次調整，這就使得設計人員只能重復地手動輸入參數，然后人工觀察輸出文件中的數據結果，反復調整直到得出合適的數據結果為止。這種耗費大量時間，重復輸入與測試的管道模擬軟件大幅降低了設計與計算效率［3－5］。針對海底管道對接的仿真模擬，國內沒有成型的軟件可以實現，筆者通過管道對接施工過程建模分析，探索利用Abaqus非線性模擬軟件實現海底管道的對接模擬仿真的方法，采用面向對象的軟件平臺Visual Studio中的Visual Basic來構建基于Windows系統的海底管道對接模擬仿真平臺，實現便于設計人員操作、方便數據分析和調用存儲的海底管道模擬仿真平臺。

1 海底管道對接建模

海底管道的對接過程需要考慮多種動、靜載荷及海底流速、海床參數、波浪相位角等海洋環境參數，因此管道對接過程是個高度非線性問題。Abaqus軟件具有較強的非線性計算能力，在結構動、靜載荷非線性計算方面比ANSYS等其他軟件更加擅長。因此，采用Abaqus軟件完成非線性管道對接模擬仿真可使模擬仿真數據結果更可靠。

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

圖1 海底管道對接施工過程示意

管道對接過程力學模型由海床、海底管道、吊纜和舷吊4個承載研究對象組成，在Abaqus軟件中建立右手直角坐標系力學模型［5－6］，如圖2所示。管道自由提吊端為坐標系原點，管道水平面軸線為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的為z軸，z軸方向從管道指向外側；垂直于海平面和管道水平軸線為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軸旋轉為0°，吊纜的舷吊與管道的隨動端均為x、y、z位移全約束。

圖2 海底管道對接過程數值計算模型

根據動、靜載荷分析和海洋參數的設定［7－9］，利用Abaqus軟件對海底管道對接過程進行了模擬仿真，圖3a與圖3b分別為管道提吊與沉放過程的Abaqus計算模擬仿真過程。對比如圖1所示的提吊與沉放過程，可以看出模擬仿真效果較好，且便于查看和分析數據變化趨勢［10－13］。由此，Abaqus軟件對管道對接過程建模可作為海底管道對接模擬仿真平臺的內核運算過程來調用。

圖3 海底管道對接過程模擬仿真

2 管道仿真軟件結構框架

海底管道對接模擬仿真平臺要便于設計人員操作，方便修改施工參數，及時跟蹤仿真進程，易于查看和分析數據結果。因此，將軟件結構框架分為4個模塊，即參數輸入前處理模塊、模擬仿真求解模塊、數據后處理模塊和輔助功能模塊［14－15］，軟件整體構架如圖4。模塊間相互關聯又相互獨立，任何1個模塊內參數修改，其他關聯的模塊內參數相應地改變，可實現局部變量的修改帶動全局變量的修改，解決了類似OFFPIP軟件調試過程需要重復操作輸入每個參數的問題。該軟件結構框架的運行模式極大地提高了設計人員調試軟件的效率。

圖4 軟件整體構架

在設計模擬仿真軟件平臺的組織界面上，參考了其他商業軟件和工程應用軟件的組織界面特點，由于目錄樹界面具有界面可視化程度高、便于軟件調用和顯示的特點，模擬軟件平臺采用了目錄樹Tree View控件，來實現4個主要功能模塊的調用和切換。在各個模塊功能實現上，使用多個Form與Frame窗口來實現，通過觸發Tree View的Node－Click事件來完成各個模塊間的觸發調用。

3 管道仿真軟件模塊設計

3.1 參數輸入前處理

海底管道的類型主要分為單臂管結構、雙層保溫結構、單臂混凝土配重層結構3種，所以參數輸入分為3個輸入部分，在各個部分中都擁有管道參數、海洋參數、提吊過程參數和沉放過程參數4個輸入子模塊，如圖5所示。在輸入所有參數的同時，調用相應的Form窗口用來輸入相應的參數，內部程序建立相應的存儲文件，把輸入的相應參數數據存儲在硬盤上，以便于后期調試和修改參數之用。

前處理的目的在于方便設計人員輸入參數和調試、修改參數，并能為后續模擬仿真提供前處理數據。由此，前處理程序最后1步是生成Abaqus軟件可以后臺運行的＊.inp文件，在前處理程序中嵌套3種管道類型對應的＊.inp文件生成子程序，在修改輸入參數保存后，其后臺自動修改相應的＊.inp文件，為后續的求解模塊生成可調用Abaqus模擬仿真的命令流文件。

3.2 模擬仿真求解

求解模塊是后臺調用運行Abaqus的程序模塊，基于前處理生成出來的＊.inp文件。求解模塊選擇相應的管道類型，進行后臺調用Abaqus程序模擬仿真海底管道對接過程，如圖6所示。

圖5 前處理模塊流程

圖6 求解模塊流程

Abaqus程序的調用可以通過內部接口實現，為了進行后臺調用程序，管道對接模擬程序通過設置批處理文件來實現調用Abaqus程序。運行批處理文件，即通過Windows自帶的命令提示符程序來實現。批處理文件中寫入CALL ABAQUS JOB＝“inp文件路徑”即可調用 Abaqus程序。通過Check ExeIsRun（“standard.exe”）來檢測 Abaqus程序是否運算完成。求解模塊最終運算結束將生成＊.ODB文件，所有計算過程參數和計算結果數據全在＊.ODB文件中，為后處理模塊調用分析提供了數據基礎。

3.3 數據后處理

后處理模塊功能是顯示模擬仿真的圖像數據與存儲調用計算數據結果。計算數據結果包括海底管道的提吊和沉放過程的變形、MISS應力與彎矩數據，如圖7所示。

圖7 后處理模塊流程

由于Abaqus軟件中自帶有Python語言編譯器，模擬仿真平臺可根據計算模塊生成的＊.ODB文件，通過預設的Python語言的＊.py文件從＊.ODB數據結果文件中提取出計算的力學參數。通過TeeChart控件實現數據圖像的顯示和存儲功能，如圖8所示。工程人員可以根據所要控制的懸跨段彎矩，計算得到所需的張緊力和入水角。施工模擬及實際施工過程中，工程人員可通過相關的圖表確定各類參數的變化規律，及時控制管道鋪設的相關參數［3］。

3.4 輔助功能

輔助功能是為了方便設計者調試程序而設置的模塊，其功能嵌入到各個模塊中，具有參數輸入過程的數值參考值與單位換算；計算過程中給予模擬仿真程序運行計算進程提示；數據顯示中提供分析數據圖像的放大功能、調節圖像色彩功能、3D圖像顯示功能、圖像保存功能以及存儲數據為EXCEL文件格式的功能。

如圖8所示，管道對接模擬仿真軟件是基于Visual Studio中的Visual Basic來構建基于 Windows系統的海底管道對接模擬仿真平臺。因此，其輔助功能擴展能力是非常強大的，可根據實際設計的要求更新程序功能。其輸入模塊界面如圖8a與8b所示，輸出數據圖像界面如圖8c與8d所示。

圖8 海底管道模擬仿真軟件操作界面

4 軟件的應用開發

本文給出的海底管道對接模擬仿真軟件平臺具有通用的易于自主開發的擴展接口，可在程序中打開和調用第三方軟件，復制參數數據傳輸和拷貝到軟件平臺，也可調用接口直接嵌套第三方軟件。

Abaqus軟件后臺運行的數據結果＊.ODB文件中包含了管道對接全過程的所有數據文件，不只是此開發軟件計算出來的變形、MISS應力與彎矩，還可以通過內部程序的計算得出張緊力、水平力、懸跨段彎矩、懸跨段長度及管道與托管架的分離角之間的關系。由此，海底管道對接模擬仿真平臺不局限于現有的應用，還可根據實際設計工作的需要繼續開發新用途、新功能。

5 結論

1） 基于海底管道對接過程數值建模分析，探索利用Abaqus非線性模擬軟件實現海底管道對接模擬仿真的方法。采用面向對象的軟件平臺Visual Studio中的Visual Basic，構建基于 Windows系統的海底管道對接模擬仿真平臺，初步建立了一種界面操作功能優于OFFPIPE軟件的管道分析軟件平臺，便于設計人員操作和分析調用結果數據，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輸入前處理模塊、模擬仿真求解模塊、數據后處理模塊和輔助功能模塊的軟件流程及關鍵程序設計原理，為同類模擬軟件平臺的開發提供了軟件構架參考。軟件平臺可擴展實現顯示張緊力、水平力、懸跨段彎矩、懸跨段長度及管道與托管架的分離角等管道對接過程參數的功能，將在海底管道鋪設相關領域具有廣泛的應用開發前景。

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