1、背景說明

當前大部分油氣通過埋地管道運輸。管道施工時，一般過程為挖土、放管、埋管，該過程中土壤應力改變，管道受到土壤重力作用產生位移；管道使用過程中，管道內部介質產生壓強，對管道產生影響；當有車輛經過管道上方時，車輛通過接觸地面產生的壓強對管道產生影響；同時，隨著管道的材料、直徑、厚度、埋地深度、管內壓強的不同，管道受影響的程度不同；復合材料材管道因其輕量、壽命長等特點，可被用于工程項目，而復合材料受載特點與傳統(tǒng)管道有一定差異。

綜上所述，對埋地復合材料管道的分析具有較大意義。

2、仿真分析流程

分析流程如下圖左側所示，相關技術應用如下圖右側所示，并以此為基礎進行了ABAQUS-GUI二次開發(fā)。

3、仿真流程說明

1）模型建立

2）材料參數(shù)賦予及鋪層查看，該參數(shù)可根據(jù)用戶實際情況更改；

3）裝配模型

4）多步分析步

其中第一步為挖開土壤，第2-10步為分九塊將土壤掩埋，分析步數(shù)和土塊數(shù)均可通過二次開發(fā)參數(shù)化。

5）生死單元，在第一分析步時候將不同集合deactive，在modified處reactive，

可用python二次開發(fā)實現(xiàn)，實現(xiàn)程序如下圖所示。

6）載荷及邊界條件

底部固定，兩側施加對稱約束，第一步施加重力載荷，最后一步施加管內壓強。

7）網格劃分

泥土采用實體單元，管道為連續(xù)殼單元。

8）創(chuàng)建job及重啟動

創(chuàng)建job-pipe及job-pipe-car，其中后者為重啟動，在job-pipe計算完成后提交，job-pipe-car分析步為分析車輛對路面施加壓強時管道的應力分布；運算結束后可查看泥土、管道受載的位移，泥土的應力分布情況，管道各鋪層的應力分布情況。

3、ABAQUS-GUI界面說明

1）泥土參數(shù)輸入

如圖所示，該界面為泥土參數(shù)頁，其中各對話框右側為輸入參數(shù)說明及單位，下方soil map為部分參數(shù)示意圖，此頁依次可輸入，泥土寬度、寬度、高度、長度、埋管深度、埋土切分個數(shù)，泥土密度、泥土彈性模量、泥土泊松比，注意泥土的長寬高輸入浮點數(shù)。

2）管道參數(shù)輸入

如圖所示，該界面為管道參數(shù)頁，其中各對話框右側為輸入參數(shù)說明及單位，下方pipe map為參數(shù)示意圖，此頁依次可輸入，管道半徑、管道厚度。

3）網格尺寸及載荷輸入

如圖所示，該界面為網格及載荷輸入，其中各對話框右側為輸入參數(shù)說明及單位，下方load map為參數(shù)示意圖，此頁依次可輸入，管道網格尺寸、泥土網格尺寸、管道內壓、車輛施加壓強。

4）管道材料參數(shù)輸入

如圖所示，該界面為管道材料參數(shù)輸入，其中各對話框右側為輸入參數(shù)說明及單位，該界面中可輸入三種材料，第一種為lamina，其余兩種為各項同性材料，可根據(jù)實際需求搭配使用。

5）鋪層設置

如圖所示，該界面為復材鋪層參數(shù)輸入，包括層數(shù)、每層厚度、角度、材料名稱；最多可輸入17層，若小于17層，則僅輸入實際鋪層參數(shù)即可，剩余默認參數(shù)不用。

4、算例展示

1）算例參數(shù)輸入

    如圖所示輸入各項參數(shù)，各參數(shù)可根據(jù)項目實際情況更改，輸入時注意各參數(shù)的單位，輸入后點擊OK,軟件會自動建模并建立兩個job：job-pipe，job-pipe-car；先提交job-pipe，運行完后，提交job-pipe-car。

2）算例結果展示

受泥土重力、內壓時，復材管道第1到7層S11方向上的應力分布云圖。

受泥土重力、內壓時，復材管道第1到7層S22方向上的應力分布云圖。

同時，也可在后處理中查看受到車輛載荷后管道應力分布的變化。

3）算例動畫展示

下圖所示為開挖及填埋模型位移動畫及填埋后受車輛壓強時位移動畫。

 

5、結論

根據(jù)ABAQUS二次開發(fā)的復材管道埋管參數(shù)化仿真，可得出如下結論：

1）依據(jù)此插件可快速建立復材埋管參數(shù)化模型，有效提高建模、計算效率；

2）依據(jù)此插件可研究管道尺寸、埋地深度、材料參數(shù)等與受載之間的關系；

3）在此插件的基礎上可進一步二次開發(fā)，研究振動、爆炸沖擊等載荷對管道的影響；

4）可在此基礎上對埋地管道進行參數(shù)化優(yōu)化設計。