基于PDMS的支吊架校核系統介紹

鄭 凱

(中海油能源發展裝備技術有限公司渤海工程技術服務中心， 天津 300452)

基于PDMS的支吊架校核系統介紹

鄭 凱

(中海油能源發展裝備技術有限公司渤海工程技術服務中心， 天津 300452)

作為一款三維設計軟件，工廠三維布置設計管理系統(PDMS)發展的一個重要方面是用戶在使用中的自我不斷完善改進。基于PDMS平臺，二次開發出一款內嵌式輔助設計支吊架校核軟件。使用編制的支吊架載荷計算軟件，可自動驗算支架載荷，生成最優支架形式，從而提高支吊架設計的安全性，同時降低建造成本、提高經濟效益。

海洋工程；支吊架；校核；二次開發；優化

0 引 言

工廠三維布置設計管理系統(PDMS)是英國AVEVA公司的一款三維(3D)設計軟件，其自發布以來就成為大型、復雜工廠設計項目的首選設計軟件系統。PDMS發展的一個重要方面是用戶在使用中的自我不斷完善改進。用戶可在所在的工程項目中制定自己的PDMS企業標準和操作指南，并且組織設計人員將已做工程的通用資料經標準化整理納入相應數據庫，從而使PDMS軟件在使用中不斷充實完善。

用PDMS軟件設計支吊架直觀、快捷，并能自動生成CAD格式的制作圖，但是缺點是不能對支吊架進行載荷計算，無法為支吊架設計提供有效的設計依據。結合已研究出的一套完整的支吊架載荷計算方法及相關計算公式，利用已有的PDMS軟件數據庫，對PDMS軟件二次開發，可以解決上述問題。本文介紹新開發的一款用于海洋工程支吊架系統的載荷校核軟件，通過優化設計，達到降低項目綜合成本的目的。

1 項目初期準備及總體規劃

項目初期，基于對以往海洋工程項目支吊架的受力分析與計算研究，根據相關設計規范，研究開發出了一套支吊架載荷計算方法和計算公式。以此為理論依據，開始研究開發海洋工程支吊架設計分析和驗算體系。在體系框架初步建立后，進行PDMS中MDS模塊數據應用軟件的二次開發，通過讀取數據，實現和后處理結構計算程序的接口程序，包括：(1)后處理結構計算程序；(2)校驗報告計算書模板；(3)支吊架受力分析和受力圖模板等。

項目中，應力計算方法采用國內常用的結構力學中的矩陣位移法，計算的重點是架體主支撐體系和連梁體系結構計算[1]。根據海洋工程項目的實際情況，針對常見的幾種支吊架結構形式進行力學的分析，計算結果的驗收標準采用的是國家標準《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)[2]。

應力計算軟件是在PDMS軟件的基礎上，調用已有的PDMS管線數據、PDMS支吊架數據庫、CII管線應力計算數據，智能分析管線和支吊架的形狀和應力作用點，最后計算支吊架內應力，并根據計算結果判定支吊架強度是否滿足規范要求，并在合格的基礎上對支吊架進行優化建議。

2 支吊架校核系統界面介紹

2.1 各模塊功能總體說明

支吊架校核系統總體界面如圖1所示。各設計工具簡介如下。

圖1 支吊架校核系統總體操作界面Fig.1 Operating interface of the check system for supports and hangers

(1) 總體信息：設置計算路徑及計算相關參數。

(2) 支吊架估算：在PDMS中進行支吊架布置前，估算支吊架截面。

(3) 選取CE：在PDMS中，在Design Explorer列表欄中選取需要進行計算的管道與支吊架。

(4) 讀取CII計算結果：讀取通過CII管道計算程序計算的CII結果文件*.MDB。

(5) 支吊架模型分析：對選取的支吊架與管道進行A*算法分析，得出單榀支吊架所承擔的管道信息。

(6) 支吊架計算：對模型分析成功的支吊架進行內力計算及規范驗算，得出支吊架的安全裕度應力，同時提供截面優化建議。

(7) 輸出結果報告：對計算成功的支吊架輸出Word版本計算報告。

(8) 當前材料統計：對當前選取的支吊架進行數量和重量統計。

(9) 優化后材料統計：可以實現整個項目中支吊架優化設計之后的數量和材料重量統計。

支吊架校核系統計算流程如圖2所示。

圖2 支吊架校核系統計算流程Fig.2 Calculation process of the check system for supports and hangers

2.2 應用流程介紹

應用中的系統界面如圖3所示。

圖3 應用中的系統界面Fig.3 Engaged system interface

2.2.1設置計算路徑及計算相關參數

在進行相關設置時，注意事項如下。

設置CII轉換PDMS管道精度：由于計算程序的不同，建立的管道定位坐標有數值誤差，為了數據準確匹配，設置轉換精度控制。默認值為5mm，建議在2～5mm之間設定[3]。

PDMS桿件忽略精度：PDMS模型建立中，會建立一些墊梁，比如槽鋼、角鋼等長度在200mm以內的桿件。在有限元模型中，這些桿件將不參與計算。

設計規范：程序默認采用國家標準《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)。

鋼材等級：程序采用中國鋼材等級Q235、Q345、Q390、Q420。

撓度限值：按照規范定義對于橫梁的下撓控制限制。程序默認為橫梁長度的1/200，可自行定義。

受拉構件容許長細比：按照規范定義取值200～300。

受壓構件容許長細比：按照規范定義取值150～180[4]。

2.2.2支吊架初始估算及驗算

本計算模塊為獨立模塊，可獨立使用，方便用戶在布置支吊架之前進行截面的優選確定。初始估算界面如圖4所示。荷載輸入：程序對作用于橫梁上的荷載提供了三種荷載形式，分別為集中荷載、均布荷載、分布荷載；用戶可以根據不同的情況進行模擬。所有的荷載輸入均為三維環境下，即：可考慮作用于支吊架平面內、平面外的受力[5]。

圖4 支吊架初始估算界面Fig.4 Initial estimate interface of the supports and hangers

2.2.3選取CE

在Design Explorer列表中選中需進行計算的支吊架以及對應的管道，分別點擊“添加SUPPORT”“添加PIPE”，添加需進行計算的支吊架與管道至對話框列表中。

2.2.4讀取CII計算結果

在CII計算程序中，導出計算結果為MDB文件，點擊“讀入CII-MDB”，彈出文件選擇框，選取CII的MDB文件。選取后的文件將會在列表框中顯示，可支持選取多個CII計算結果。

2.2.5支吊架模型分析

程序將自動匹配所讀取的CII管道約束內力結果，并且自動轉換為PDMS的全局坐標系。若無CII的計算數據，則自動導算為管道的自重。

2.2.6支吊架計算

CII管道計算作用荷載：用戶可查看CII導入的作用節點，以及作用節點處的約束反力。約束反力不可修改，且已轉換為PDMS的全局坐標系下的內力。

點擊“內力計算及規范驗算”，程序調用三維有限元內力計算程序進行計算。

如圖5所示，用戶可以在左側列表中的截面庫中，選取要進入優化截面庫的截面，進行優化計算時，程序將自動在優選截面庫中選取合適的截面。

圖5 支吊架材料優化截面庫Fig.5 Cross-section database for optimization of the supports and hangers materials

優化安全裕度：取值0.2～0.8，表示桿件的容許應力的控制值[6]。

優化計算：包含了單品優化和全部優化，可以輸出單品優化材料清單和整個項目所有截面優化后材料清單。

規范驗算結果：顯示驗算結果及截面信息，如圖6所示。

圖6 支吊架驗算結果及截面信息顯示Fig.6 Calculation results and section information display of the supports and hangers

2.2.7輸出結果報告

輸出計算報告表格中分別列出計算失敗的支吊架以及計算成功的支吊架，并且在列表中顯示支吊架中桿件的最大截面應力值。

列表中按照從大到小的順序進行排列。

選取某一項支吊架或者多選支吊架，程序將自動啟動Office-Word程序，自動生成計算報告，計算報告在同一個Word文件中。

2.2.8當前和優化后材料統計

程序將自動調用Office-Word程序生成材料表。

3 成果意義及應用展望

研究成果為支吊架的形式和材料的選取提供理論依據和優化建議，提高了建造項目安全性，降低建造成本，提高經濟效益。將管道支吊架設計分析應用于海洋工程加工設計中，是對海洋工程管道設計的完善和補充。本軟件自動統計功能減少了設計人員的人工投入，提高了材料統計的準確性，同時有效降低了項目成本。該軟件系統使用的基本要求相對簡單，所有使用PDMS軟件的機構都可實現應用，并且操作方便、實用性強，推廣應用潛力大。

4 結 語

本文所介紹系統可自動完成設計、繪圖、材料統計等設計工作，減少了大量重復工作，縮短了工作時間，減少設計工作的人工投入，在提高工作效率和準確性的同時降低了人工成本；其研究成果為支吊架的型式、材料的選取提供合理建議，在保證工程建造項目安全性和可靠性的同時通過優化設計，降低建造成本。希望通過介紹可使該系統更普遍地被潛在用戶所了解。其應用潛力巨大，可廣泛應用于海洋工程項目中。

[1] 繆瑞卿, 趙兆泉. 靜載荷作用下連續梁單元的精確解[J]. 江蘇石油化工學院學報,1994(2):13.

[2] 中華人民共和國建設部. GB50017—2003. 鋼結構設計規范[S].2003.

[3] 高明中, 陳雨雪. 不同載荷形式下型鋼支架承載能力的正交優化[J].安徽理工大學學報(自然科學版),2016(1):65.

[4] 張倩, 呂興曄. 基于力學報告進行支架設計及校核[J]. 電子機械工程,2014(12):175.

[5] 唐涌濤, 關暉, 蘇榮福, 等. 基于PDMS的管道支吊架結構設計軟件開發[J]. 核動力工程,2014(4):35.

[6] 張德姜, 王懷義, 劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊，第一篇，設計與計算[M]. 北京: 中國石化出版社,2004.

IntroductiontotheCheckSystemforSupportsandHangersBasedonPDMS

ZHENG Kai

(BohaiEngineeringandTechnicalServiceCenter,CNOOCEnergyDevelopmentEquipmentTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Plant Design Management System (PDMS) is a three-dimensional (3D) design software of AVEVA from UK. The self improvement of the user is an important aspect for the development of PDMS. An embedded aided design software for checking supports and hangers is developed based on PDMS platform. The programmed load computation software for supports and hangers can be used to automatically check the load and output the optimal form of supports and hangers. In this way, the safety of supports and hangers design is improved, the construction cost is reduced, and the economic performance is enhanced.

ocean engineering; supports and hangers; check; secondary development; optimization

2016-07-18

鄭凱(1984—)，男，工程師，主要從事海洋工程平臺管道設計及建造工作。

P752

A

2095-7297(2016)04-0257-04