水面浮運鋪設的機動管線有限元分析

文/張潤波 彭 路

水面浮運鋪設的機動管線有限元分析

文/張潤波 彭 路

對管線進行有限元分析，了解其變形和應力分布狀況，探討管線的薄弱環節和確定危險應力處，對浮運時機動管線的變形和應力分布狀態進行較為詳細的分析。這為施工人員針對管線的薄弱環節采取必要的措施進行加強、確保管線施工安全有積極的指導作用。

機動管線；水面浮運；有限元模型；有限元分析

1.管線基本假設

管線水面浮運，在其剛被拉到對岸時受力最復雜，針對管線此時的狀態進行有限元分析。在針對穿越連接器連接的DN100機動管線進行有限元分析時，為方便建立模型可做一些簡化，忽略次要、影響不大的因素，使管線簡化成承受軸向拉力和彎矩的柱梁。

（1）不考慮管線連接器對管線系統的影響，認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力應變關系保持不變，為定值。

2.管線鋪設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 結構實體單元， SOLID45 單元主要用于模擬三維實體結構，由8個節點定義而成，每個節點具有3個自由度（分別是 UX、UY、UZ）。該單元適合于進行彈性、蠕變、膨脹、應力硬化、大變形、大應變的分析，具有退化功能，可退化成五面體和四面體，便于生成復雜結構的單元網格。

2.2 材料特性

管線的抗彎剛度在縱向是均勻的，因此鋪設的管線采用同一種材料，且浮運時重力與浮力相抵消，故不用對材料的密度進行設置。

彈性模量E=2.2e11pa

泊松比μ=0.3

2.3 三維實體模型的建立

本文采用實體建模的方法。管線的幾何參數如下：

管道的內半徑Ri=0.0485m

管道的外半徑Ro=0.051m

實體模型的長度L=50m

2.4 網格劃分

建立實體模型之后，進行網格劃分，生成有限元網絡圖，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工具對整個實體模型進行網格劃分，劃分網格后單元和節點的情況如下：單元共計18000 個，節點共計24120 個。圖1為形成的圖1A區域的有限元網格圖。

圖1 管線局部有限元網格圖

在現實情況下，管線約束情況比較復雜，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，則兩端變形及應力狀態相比差別較大，不符合實際情況；若兩端都只固定X軸、Y軸方向，使其在Z軸自由，則軟件無法計算結果，因此約束條件為在管線兩端都采用全約束，比較符合管線實際情況。

3.管線變形及應力分布

3.1 管線變形

對模型求解，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，在中間位置位移達到最大的3.092m。

從有限元分析結果來看，位移變化趨勢是正確的，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或更長的管線在受到均布載荷后，會發生大變形等幾何非線性行為，即應力應變關系會隨著管線的形狀發生變化，而分析時假定其是線性的，故導致管線最大位移有些偏大。

圖3 25-50m管線應力分布圖

3.2 應力分布

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，因此管線的應力分布狀況以管線中間（Z=25m）為中心呈對稱分布，圖3為求解后25m～50m的管線應力分布圖。

從圖3可以看出，管線的應力分布狀況從管端到中間應力是由小驟增至最大應力，后逐漸變小到最小值，將要到達管線中間時應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區域和中間C區域的應力分布。

圖4 管線端部（B區域）應力分布圖

圖5 管線中間（C區域）應力分布圖

從圖4可以看出，管線的最大應力處是靠近管線端部迎著水流方向的一小段，其應力值達到0.482e9pa，這是因為管線兩端都是全約束，在靠近端部的地方會產生較大的應力使得管線不發生位移和轉動，此處在鋪設時應高度重視，采取措施確保應力不超過管線允許應力。

從圖5可以看出，管線中間迎著水流方向的一段應力也比較大，達到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，因此會產生較大的彎曲應力，也應當給予重視。

4.結語

本文針對鋪設管線的類型做了一些假設，建立了水面浮運鋪設管線的實體模型和有限元模型，并進行了計算，計算結果顯示，管線中間處位移最大，但因沒有考慮非線性因素，導致位移偏大，管線在靠近兩端處應力最大，在中間處也有較大的應力，因此在鋪設中應對這幾處給予足夠的重視。

廣西貴港市75130部隊后勤部）