本文原載于Ansys Advantage：《Digital Engineering Reduces the Cost of Composite Pipe for Oil and Gas Operators》

Magma Global是一家在碳纖維復合材料開發領域處于領先地位的創新型、快速增長的海底技術公司。Magma應用最先進的材料與制造科學，為海底石油和天然氣行業提供創新性解決方案，其產品部署在一些地球上環境條件最苛刻的地方。

其中一款產品就是M管，它一直被用于世界各地的出油管與跨接管、干預系統以及懸空引線，以輸送碳氫化合物、水和天然氣。M管雖然具有出色的強度，但其柔韌性也毫不遜色。該管不僅具有最小化的彎曲半徑，而且重量輕，可以使用標準的卷軸交付，并通過較小的船舶進行部署。

Magma的高級工程團隊不斷改進M管層壓材料層的設計，優化強度并最大限度減少重量，同時確保聚醚醚酮(PEEK)和碳纖維管道具有較高的制造成本效益。

在每個新的M管中最大限度地減少熱塑性復合材料，可以減少制造過程中的化石燃料消耗。與傳統的鋼管安裝相比，M管的輕量化特性可最大限度地降低安裝成本，并允許使用更小的工作船舶。此外，M管需要的海上行程也更少，這就進一步減少了碳排放。

Ansys Workbench軟件通過真實的有限元分析(FEA)仿真可減少M管的熱塑性塑料，這種仿真能夠在精確數值模型的結構響應中復制實際的測試行為。該仿真結果，隨后被用于再現工作中的載荷組合。

在使用Ansys仿真軟件之前，Magma的設計流程與業內大多數流程一樣：工程師會為特定客戶的應用開發一些設計，并對其進行一系列的物理測試，這可能導致成本高昂且非常耗時。

仿真的目的在于，減少原材料使用的同時，在較短的交貨期限內交付M管，并滿足挪威船級社(DNV)認證要求。DNV是一家國際認可的注冊商和船級社。

M管的橫截面

利用Ansys仿真解決方案，Magma工程師正在通過虛擬模型對結構測試進行數值仿真。這些結果隨后被用于再現實際使用壽命載荷組合。因此，Magma Global可以在整個設計周期內（包括停止運行階段）快速得到超出客戶要求的合格產品。

利用Ansys Workbench進行數值仿真，計算機輔助工程(CAE)團隊能夠通過Workbench中的高效腳本快速考慮不同的選項。他們可以運行大量FEA迭代來驗證M管的結構完整性。物理測試的次數已顯著減少；現在，物理測試的唯一目的是確認仿真結果。此外，每項物理測試也經過應變測量，以便將結果與數值模型相關聯。

管體復合材料層壓板示例

利用仿真估算M管的使用壽命，我們讓客戶對其產品更有信心。他們不僅共享結構分析結果，包括應力和應變圖，而且還與挪威船級社(DNV)進行交流，以便獲得船級社批準。仿真有助于Magma生產出石油和天然氣領域中最堅固可靠的熱塑性復合材料管道。盡管使用盡可能少的材料，這些管道仍然可以應對石油和天然氣組件所要求的極端工作條件。這有助于降低產品成本，使企業能夠在與其他供應商的競爭中立于不敗之地。

雖然復合材料管道的概念看似相對簡單，但在實際過程中，數值模型卻非常復雜。層壓材料可包含超過50層，每一層的方向都是為了優化結構性能，同時還要達到制造參數要求。金屬端接頭固定在管道的任一端，以便與第三方設備實現牢固連接。在分析流程中，工程師對產品的使用壽命（包括存儲、運輸、測試、安裝和運行）進行了仿真。

第一步通常是使用Orcaflex（面向海底系統的動態分析軟件）進行研究，以確定系統的全局響應。提取局部力和力矩，并將其應用于管體和端部接頭FEA模型。此外，Orcaflex還可用于對Magma現場周圍管道的轉運作業（從制造卷盤卸到存儲卷盤上，或進行提吊作業）進行仿真。

我們開發了專屬的管體“Magma Ansys前處理與后處理器”(MAPPS)接口，該接口通過Microsoft Excel接口驅動，以便創建Ansys參數化設計語言(APDL)腳本。MAPPS可為Magma的所有工程師（即使是沒有深入了解Ansys軟件的工程師）提供一款易于使用的設計工具。

工程師需要輸入以下參數：

• 管道幾何形狀

• 單元密度

• 層結構：厚度和方向

• 層壓板堆積

• 外部載荷（壓力、軸向力、彎矩等）

根據上述數據，工程師就可以使用具有二次行為的20節點分層單元創建3D FEA模型，這是較厚的復合材料建模所必需的。MAPPS還允許輸入單獨的層屬性，并檢索應力與應變結果。

層材料屬性對于任何復合材料模型而言，都很關鍵。我們已經完成了大量的物理測試，從而獲得了這些信息，而它們構成了仿真模型的基礎。每次仿真都在專用的分析服務器上運行，只需幾秒鐘即可完成，這樣可以使用我們的MAPPS結果圖形界面快速優化層壓結構。

管體按照DNV-ST-F119和DNV-ST-C501規范、并采用極限狀態設計方法進行設計。此方法可評估以下三種失效機制：

1. 基于總應變的纖維主導層失效

2. 軸向載荷作用下的管體失效

3. 管體因彈性屈曲而坍塌

端部接頭CAD幾何形狀示例

由于M管復合材料層壓板由許多不同角度和材料特性的薄板組成，單獨對它們進行評估可確保不會超過各種失效指標。Ansys Workbench具有高效的后處理工具，可幫助實現上述目標，這些工具包含以下失效檢查：最大應變、最大應力、Tsa-Wu、Tsai-Hill、Hashin、LaRC、Cuntze。

我們使用最大應變失效準則，仔細評估每層沿管道長度和層壓板厚度方向的纖維和基質。我們還將組件結果朝著管道系統軸的方向，以便確定軸向、環向和徑向值。

端部接頭裝配體由超級雙相不銹鋼制作而成，這種材料廣泛用于海底設備。端部接頭包括一組同心組件，這些組件會產生徑向壓縮力，將管體夾在中間，無需使用螺栓或進行銷釘連接（那樣會影響層壓材料的完整性）。

我們基于設計團隊提供的計算機輔助設計(CAD)幾何結構創建FEA裝配體模型，并使用該模型進行結構分析。然后，使用Ansys SpaceClaim輕松去除螺紋、非關鍵孔和小混合半徑等細微特征。

為了施加外部載荷，端部接頭FEA模型包括了管體的一部分。這通常需要在端部接頭接口外延長5倍的管道外直徑，以便消除任何端部效應。敏感度分析可確保關鍵區域（例如應力集中區域）的單元密度是足夠的。我們檢查了單元質量（即體積與邊長的比值），以保持其最小值為0.2。

端部接頭按照DNV-OS-F101第F100節的規范進行設計，其要求機械連接器按照ASME VIII第2部分的規范進行設計。為了驗證端部接頭的設計，應進行以下設計檢查：

• 防止塑性塌陷

• 防止局部失效

• 根據DNV–RP–F112防止氫致應力開裂 (HISC)

為了對端部接頭裝配體的載荷路徑進行準確仿真，我們確定了各個組件之間的接觸，包括摩擦影響。為超級雙相材料定義了應力-應變曲線，包括溫度影響。再與接觸結果相結合，分析包括非線性材料與幾何形狀的影響。

為了表示每種工作條件，我們將順序載荷組合作為一系列非線性步驟施加到FE模型。這可以增加多達10個載荷步驟，包括熱膨脹、壓力、軸向張力與彎矩。

由于操作人員不斷提高端部接頭FEA模型的精度水平，復雜性和求解時間都相應增加。為了盡量減少這種情況，操作人員優化了Ansys求解器參數和CPU內核。

端部接頭應力示意圖

作為詳細ASME完整性檢查的一部分，操作人員從FEA模型中提取了所有載荷組合中的組件應力與應變。這包括馮米斯應力、等效塑性應變和等效塑性應變與三軸應變的比值。為了評估防止氫致應力開裂 (HISC)的保護措施，操作人員進行了兩次深入的應變檢查，其中包括使用Workbench中的線性化技術提取組件壁厚的平均應變值。

展示虛擬結果有助于操作人員了解M管的表現。我們的分析提供了清晰、簡明的信息，便于各方輕松理解。結果是風險變小了，同時客戶參與度更高，信心也更足。