石油管道海底对接过程力学仿真软件平台设计

马晓丽，刘衍聪，李成凯，范常峰，伊 鹏，殷克平，崔兰芳

（1.中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛266580；2.青岛理工大学，山东 青岛266033；3.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；4.烟台市产品质量监督检验所 国家机动车配件产品质量监督检验中心，山东 烟台264003）①

在海上完成海底管道对接作业的风险及施工难度较大，设计合理的管道对接施工方案尤为重要，相应的管道对接过程的模拟仿真数据计算结果又是设计施工方案的重要参考依据［1－2］。因此，海底管道对接模拟仿真软件的设计与应用成为降低海上作业风险、提高施工效率的重要保障。

OFFPIPE软件是国内海底管道铺管设计中较常用的分析软件，存在建模不够精确、手动操作过程较繁琐以及输出结果难于被数据处理软件读取等缺点。OFFPIPE软件是基于DOS系统的程序，必须用键盘手动输入各种海洋参数与施工参数，输出的图表无法保存和再次查询，结果数据文件格式复杂多样，很难被数据处理软件读取和利用，不利于操作人员的后期调用和校验。在实际设计工作中，往往需要对各项参数进行多次调整，这就使得设计人员只能重复地手动输入参数，然后人工观察输出文件中的数据结果，反复调整直到得出合适的数据结果为止。这种耗费大量时间，重复输入与测试的管道模拟软件大幅降低了设计与计算效率［3－5］。针对海底管道对接的仿真模拟，国内没有成型的软件可以实现，笔者通过管道对接施工过程建模分析，探索利用Abaqus非线性模拟软件实现海底管道的对接模拟仿真的方法，采用面向对象的软件平台Visual Studio中的Visual Basic来构建基于Windows系统的海底管道对接模拟仿真平台，实现便于设计人员操作、方便数据分析和调用存储的海底管道模拟仿真平台。

1 海底管道对接建模

海底管道的对接过程需要考虑多种动、静载荷及海底流速、海床参数、波浪相位角等海洋环境参数，因此管道对接过程是个高度非线性问题。Abaqus软件具有较强的非线性计算能力，在结构动、静载荷非线性计算方面比ANSYS等其他软件更加擅长。因此，采用Abaqus软件完成非线性管道对接模拟仿真可使模拟仿真数据结果更可靠。

海洋管道在海上的对接可分为3个阶段，即提吊阶段、端口调平对接阶段和工程船侧移沉放阶段［5］。Abaqus软件主要模拟海底管道的提吊阶段和工程船侧移沉放阶段，如图1所示。

图1 海底管道对接施工过程示意

管道对接过程力学模型由海床、海底管道、吊缆和舷吊4个承载研究对象组成，在Abaqus软件中建立右手直角坐标系力学模型［5－6］，如图2所示。管道自由提吊端为坐标系原点，管道水平面轴线为x轴，x轴方向从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轴线的为z轴，z轴方向从管道指向外侧；垂直于海平面和管道水平轴线为y轴，y轴方向沿管道竖直方向指向上方。海床为全约束，管道的自由端约束绕y轴旋转为0°，吊缆的舷吊与管道的随动端均为x、y、z位移全约束。

图2 海底管道对接过程数值计算模型

根据动、静载荷分析和海洋参数的设定［7－9］，利用Abaqus软件对海底管道对接过程进行了模拟仿真，图3a与图3b分别为管道提吊与沉放过程的Abaqus计算模拟仿真过程。对比如图1所示的提吊与沉放过程，可以看出模拟仿真效果较好，且便于查看和分析数据变化趋势［10－13］。由此，Abaqus软件对管道对接过程建模可作为海底管道对接模拟仿真平台的内核运算过程来调用。

图3 海底管道对接过程模拟仿真

2 管道仿真软件结构框架

海底管道对接模拟仿真平台要便于设计人员操作，方便修改施工参数，及时跟踪仿真进程，易于查看和分析数据结果。因此，将软件结构框架分为4个模块，即参数输入前处理模块、模拟仿真求解模块、数据后处理模块和辅助功能模块［14－15］，软件整体构架如图4。模块间相互关联又相互独立，任何1个模块内参数修改，其他关联的模块内参数相应地改变，可实现局部变量的修改带动全局变量的修改，解决了类似OFFPIP软件调试过程需要重复操作输入每个参数的问题。该软件结构框架的运行模式极大地提高了设计人员调试软件的效率。

图4 软件整体构架

在设计模拟仿真软件平台的组织界面上，参考了其他商业软件和工程应用软件的组织界面特点，由于目录树界面具有界面可视化程度高、便于软件调用和显示的特点，模拟软件平台采用了目录树Tree View控件，来实现4个主要功能模块的调用和切换。在各个模块功能实现上，使用多个Form与Frame窗口来实现，通过触发Tree View的Node－Click事件来完成各个模块间的触发调用。

3 管道仿真软件模块设计

3.1 参数输入前处理

海底管道的类型主要分为单臂管结构、双层保温结构、单臂混凝土配重层结构3种，所以参数输入分为3个输入部分，在各个部分中都拥有管道参数、海洋参数、提吊过程参数和沉放过程参数4个输入子模块，如图5所示。在输入所有参数的同时，调用相应的Form窗口用来输入相应的参数，内部程序建立相应的存储文件，把输入的相应参数数据存储在硬盘上，以便于后期调试和修改参数之用。

前处理的目的在于方便设计人员输入参数和调试、修改参数，并能为后续模拟仿真提供前处理数据。由此，前处理程序最后1步是生成Abaqus软件可以后台运行的＊.inp文件，在前处理程序中嵌套3种管道类型对应的＊.inp文件生成子程序，在修改输入参数保存后，其后台自动修改相应的＊.inp文件，为后续的求解模块生成可调用Abaqus模拟仿真的命令流文件。

3.2 模拟仿真求解

求解模块是后台调用运行Abaqus的程序模块，基于前处理生成出来的＊.inp文件。求解模块选择相应的管道类型，进行后台调用Abaqus程序模拟仿真海底管道对接过程，如图6所示。

图5 前处理模块流程

图6 求解模块流程

Abaqus程序的调用可以通过内部接口实现，为了进行后台调用程序，管道对接模拟程序通过设置批处理文件来实现调用Abaqus程序。运行批处理文件，即通过Windows自带的命令提示符程序来实现。批处理文件中写入CALL ABAQUS JOB＝“inp文件路径”即可调用 Abaqus程序。通过Check ExeIsRun（“standard.exe”）来检测 Abaqus程序是否运算完成。求解模块最终运算结束将生成＊.ODB文件，所有计算过程参数和计算结果数据全在＊.ODB文件中，为后处理模块调用分析提供了数据基础。

3.3 数据后处理

后处理模块功能是显示模拟仿真的图像数据与存储调用计算数据结果。计算数据结果包括海底管道的提吊和沉放过程的变形、MISS应力与弯矩数据，如图7所示。

图7 后处理模块流程

由于Abaqus软件中自带有Python语言编译器，模拟仿真平台可根据计算模块生成的＊.ODB文件，通过预设的Python语言的＊.py文件从＊.ODB数据结果文件中提取出计算的力学参数。通过TeeChart控件实现数据图像的显示和存储功能，如图8所示。工程人员可以根据所要控制的悬跨段弯矩，计算得到所需的张紧力和入水角。施工模拟及实际施工过程中，工程人员可通过相关的图表确定各类参数的变化规律，及时控制管道铺设的相关参数［3］。

3.4 辅助功能

辅助功能是为了方便设计者调试程序而设置的模块，其功能嵌入到各个模块中，具有参数输入过程的数值参考值与单位换算；计算过程中给予模拟仿真程序运行计算进程提示；数据显示中提供分析数据图像的放大功能、调节图像色彩功能、3D图像显示功能、图像保存功能以及存储数据为EXCEL文件格式的功能。

如图8所示，管道对接模拟仿真软件是基于Visual Studio中的Visual Basic来构建基于 Windows系统的海底管道对接模拟仿真平台。因此，其辅助功能扩展能力是非常强大的，可根据实际设计的要求更新程序功能。其输入模块界面如图8a与8b所示，输出数据图像界面如图8c与8d所示。

图8 海底管道模拟仿真软件操作界面

4 软件的应用开发

本文给出的海底管道对接模拟仿真软件平台具有通用的易于自主开发的扩展接口，可在程序中打开和调用第三方软件，复制参数数据传输和拷贝到软件平台，也可调用接口直接嵌套第三方软件。

Abaqus软件后台运行的数据结果＊.ODB文件中包含了管道对接全过程的所有数据文件，不只是此开发软件计算出来的变形、MISS应力与弯矩，还可以通过内部程序的计算得出张紧力、水平力、悬跨段弯矩、悬跨段长度及管道与托管架的分离角之间的关系。由此，海底管道对接模拟仿真平台不局限于现有的应用，还可根据实际设计工作的需要继续开发新用途、新功能。

5 结论

1） 基于海底管道对接过程数值建模分析，探索利用Abaqus非线性模拟软件实现海底管道对接模拟仿真的方法。采用面向对象的软件平台Visual Studio中的Visual Basic，构建基于 Windows系统的海底管道对接模拟仿真平台，初步建立了一种界面操作功能优于OFFPIPE软件的管道分析软件平台，便于设计人员操作和分析调用结果数据，提高了管道模拟分析的效率。

2） 分析了管道模拟软件的参数输入前处理模块、模拟仿真求解模块、数据后处理模块和辅助功能模块的软件流程及关键程序设计原理，为同类模拟软件平台的开发提供了软件构架参考。软件平台可扩展实现显示张紧力、水平力、悬跨段弯矩、悬跨段长度及管道与托管架的分离角等管道对接过程参数的功能，将在海底管道铺设相关领域具有广泛的应用开发前景。

［1］ 刘然，王长江，张连宇.油气管道弯管试压技术方案研究［J］.石油矿场机械，2013，42（5），12－15.

［2］ 白宁，赵冬岩.基于OFFPIPE的海底管道S型铺设计算机辅助优化设计技术［J］.石油工程建设，2011，37（3）：14－20.

［3］ 孙成赞，王允.OFFPIP软件在海底管道铺设中的应用［J］.石油工程建设，2005，31（5）：49－52.

［4］ 王雷，徐兴平，王言哲，等.悬跨海底管道犁式填埋设备设计［J］.石油矿场机械，2013，42（8）：45－51.

［5］ 伦冠德.海洋管道海上对接关键技术研究［D］.青岛：中国石油大学（华东），2011.

［6］ 费康，刘汉龙.边界面模型在ABAQUS的开发应用［J］.解放军理工大学学报：自然科学版，2009，10（5）：447－451.

［7］ 曾晓辉，柳春图，邢静忠.海底管道铺设的力学分析［J］.力学与实践，2002，24（2）：19－21.

［8］ 程栋栋.复杂条件下海底管线与土相互作用研究［D］.天津：天津大学，2008.

［9］ 戴英杰，宋甲宗，冯刚.海底管道收弃管作业分析［J］.海洋工程，2000，18（3）：75－78.

［10］ 时黎霞，李志刚，赵冬岩，等.海底管道回接技术［J］.天然气工业，2008，28（5）：106－108.

［11］ Mckeehan D S，Freet 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，马培荪，王道炎，等.深海ROV及其作业系统综述［J］.机器人，2005，27（1）：82－88.

［13］ 伦冠德，刘衍聪，伊鹏，等.海流及海床摩擦对油气管道提吊及沉放影响分析［J］.石油勘探与开发，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.