文/張潤(rùn)波 彭 路

水面浮運(yùn)鋪設(shè)的機(jī)動(dòng)管線有限元分析

文/張潤(rùn)波 彭 路

對(duì)管線進(jìn)行有限元分析，了解其變形和應(yīng)力分布狀況，探討管線的薄弱環(huán)節(jié)和確定危險(xiǎn)應(yīng)力處，對(duì)浮運(yùn)時(shí)機(jī)動(dòng)管線的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行較為詳細(xì)的分析。這為施工人員針對(duì)管線的薄弱環(huán)節(jié)采取必要的措施進(jìn)行加強(qiáng)、確保管線施工安全有積極的指導(dǎo)作用。

機(jī)動(dòng)管線；水面浮運(yùn)；有限元模型；有限元分析

1.管線基本假設(shè)

管線水面浮運(yùn)，在其剛被拉到對(duì)岸時(shí)受力最復(fù)雜，針對(duì)管線此時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行有限元分析。在針對(duì)穿越連接器連接的DN100機(jī)動(dòng)管線進(jìn)行有限元分析時(shí)，為方便建立模型可做一些簡(jiǎn)化，忽略次要、影響不大的因素，使管線簡(jiǎn)化成承受軸向拉力和彎矩的柱梁。

（1）不考慮管線連接器對(duì)管線系統(tǒng)的影響，認(rèn)為管線的抗彎剛度在縱向是均勻的。

（2）橫截面上的抗彎剛度即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系保持不變，為定值。

2.管線鋪設(shè)三維有限元模型的建立

2.1 單元類型的選取

本文采用的是固體 SOLID45 結(jié)構(gòu)實(shí)體單元， SOLID45 單元主要用于模擬三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，由8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度（分別是 UX、UY、UZ）。該單元適合于進(jìn)行彈性、蠕變、膨脹、應(yīng)力硬化、大變形、大應(yīng)變的分析，具有退化功能，可退化成五面體和四面體，便于生成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單元網(wǎng)格。

2.2 材料特性

管線的抗彎剛度在縱向是均勻的，因此鋪設(shè)的管線采用同一種材料，且浮運(yùn)時(shí)重力與浮力相抵消，故不用對(duì)材料的密度進(jìn)行設(shè)置。

彈性模量E=2.2e11pa

泊松比μ=0.3

2.3 三維實(shí)體模型的建立

本文采用實(shí)體建模的方法。管線的幾何參數(shù)如下：

管道的內(nèi)半徑Ri=0.0485m

管道的外半徑Ro=0.051m

實(shí)體模型的長(zhǎng)度L=50m

2.4 網(wǎng)格劃分

建立實(shí)體模型之后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元網(wǎng)絡(luò)圖，在Z軸方向上將線段200等分，在端面圓周上將線段10等分，然后用m esh工具對(duì)整個(gè)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后單元和節(jié)點(diǎn)的情況如下：?jiǎn)卧灿?jì)18000 個(gè)，節(jié)點(diǎn)共計(jì)24120 個(gè)。圖1為形成的圖1A區(qū)域的有限元網(wǎng)格圖。

圖1 管線局部有限元網(wǎng)格圖

在現(xiàn)實(shí)情況下，管線約束情況比較復(fù)雜，其兩端都有鋼絲

2.5 載荷與邊界條件繩提供拉力，若管線兩端一端全約束，另一端約束X、Y方向，則兩端變形及應(yīng)力狀態(tài)相比差別較大，不符合實(shí)際情況；若兩端都只固定X軸、Y軸方向，使其在Z軸自由，則軟件無法計(jì)算結(jié)果，因此約束條件為在管線兩端都采用全約束，比較符合管線實(shí)際情況。

3.管線變形及應(yīng)力分布

3.1 管線變形

對(duì)模型求解，得到管線變形和未變形圖如圖2。

圖2 管線變形及未變形圖

從圖2可以看出，管線在Y、Z軸沒有位移，X方向發(fā)生了位移，管線靠近兩端處位移較小，越靠近管線中間，位移越大，在中間位置位移達(dá)到最大的3.092m。

從有限元分析結(jié)果來看，位移變化趨勢(shì)是正確的，管線兩端全約束，故靠近兩端處位移小，越靠近管線中間，變形越大，但是3.092m的位移有些偏大，究其原因，50m或更長(zhǎng)的管線在受到均布載荷后，會(huì)發(fā)生大變形等幾何非線性行為，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系會(huì)隨著管線的形狀發(fā)生變化，而分析時(shí)假定其是線性的，故導(dǎo)致管線最大位移有些偏大。

圖3 25-50m管線應(yīng)力分布圖

3.2 應(yīng)力分布

建立的有限元模型可知，管線兩端約束條件相同、載荷為均布載荷，因此管線的應(yīng)力分布狀況以管線中間（Z=25m）為中心呈對(duì)稱分布，圖3為求解后25m～50m的管線應(yīng)力分布圖。

從圖3可以看出，管線的應(yīng)力分布狀況從管端到中間應(yīng)力是由小驟增至最大應(yīng)力，后逐漸變小到最小值，將要到達(dá)管線中間時(shí)應(yīng)力又增大到一較大值。圖4和圖5更清晰地反映了管線端部B區(qū)域和中間C區(qū)域的應(yīng)力分布。

圖4 管線端部（B區(qū)域）應(yīng)力分布圖

圖5 管線中間（C區(qū)域）應(yīng)力分布圖

從圖4可以看出，管線的最大應(yīng)力處是靠近管線端部迎著水流方向的一小段，其應(yīng)力值達(dá)到0.482e9pa，這是因?yàn)楣芫€兩端都是全約束，在靠近端部的地方會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力使得管線不發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，此處在鋪設(shè)時(shí)應(yīng)高度重視，采取措施確保應(yīng)力不超過管線允許應(yīng)力。

從圖5可以看出，管線中間迎著水流方向的一段應(yīng)力也比較大，達(dá)到0.322e9pa，管線在均布荷載的作用下，此處是管線位移最大的地方，因此會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，也應(yīng)當(dāng)給予重視。

4.結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鋪設(shè)管線的類型做了一些假設(shè)，建立了水面浮運(yùn)鋪設(shè)管線的實(shí)體模型和有限元模型，并進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，管線中間處位移最大，但因沒有考慮非線性因素，導(dǎo)致位移偏大，管線在靠近兩端處應(yīng)力最大，在中間處也有較大的應(yīng)力，因此在鋪設(shè)中應(yīng)對(duì)這幾處給予足夠的重視。

廣西貴港市75130部隊(duì)后勤部）