ABAQUS二次开发实践：复材管道埋管参数化仿真技术

1、背景说明

当前大部分油气通过埋地管道运输。管道施工时，一般过程为挖土、放管、埋管，该过程中土壤应力改变，管道受到土壤重力作用产生位移；管道使用过程中，管道内部介质产生压强，对管道产生影响；当有车辆经过管道上方时，车辆通过接触地面产生的压强对管道产生影响；同时，随着管道的材料、直径、厚度、埋地深度、管内压强的不同，管道受影响的程度不同；复合材料材管道因其轻量、寿命长等特点，可被用于工程项目，而复合材料受载特点与传统管道有一定差异。

综上所述，对埋地复合材料管道的分析具有较大意义。

2、仿真分析流程

分析流程如下图左侧所示，相关技术应用如下图右侧所示，并以此为基础进行了ABAQUS-GUI二次开发。

3、仿真流程说明

1）模型建立

2）材料参数赋予及铺层查看，该参数可根据用户实际情况更改；

3）装配模型

4）多步分析步

其中第一步为挖开土壤，第2-10步为分九块将土壤掩埋，分析步数和土块数均可通过二次开发参数化。

5）生死单元，在第一分析步时候将不同集合deactive，在modified处reactive，

可用python二次开发实现，实现程序如下图所示。

6）载荷及边界条件

底部固定，两侧施加对称约束，第一步施加重力载荷，最后一步施加管内压强。

7）网格划分

泥土采用实体单元，管道为连续壳单元。

8）创建job及重启动

创建job-pipe及job-pipe-car，其中后者为重启动，在job-pipe计算完成后提交，job-pipe-car分析步为分析车辆对路面施加压强时管道的应力分布；运算结束后可查看泥土、管道受载的位移，泥土的应力分布情况，管道各铺层的应力分布情况。

3、ABAQUS-GUI界面说明

1）泥土参数输入

如图所示，该界面为泥土参数页，其中各对话框右侧为输入参数说明及单位，下方soil map为部分参数示意图，此页依次可输入，泥土宽度、宽度、高度、长度、埋管深度、埋土切分个数，泥土密度、泥土弹性模量、泥土泊松比，注意泥土的长宽高输入浮点数。

2）管道参数输入

如图所示，该界面为管道参数页，其中各对话框右侧为输入参数说明及单位，下方pipe map为参数示意图，此页依次可输入，管道半径、管道厚度。

3）网格尺寸及载荷输入

如图所示，该界面为网格及载荷输入，其中各对话框右侧为输入参数说明及单位，下方load map为参数示意图，此页依次可输入，管道网格尺寸、泥土网格尺寸、管道内压、车辆施加压强。

4）管道材料参数输入

如图所示，该界面为管道材料参数输入，其中各对话框右侧为输入参数说明及单位，该界面中可输入三种材料，第一种为lamina，其余两种为各项同性材料，可根据实际需求搭配使用。

5）铺层设置

如图所示，该界面为复材铺层参数输入，包括层数、每层厚度、角度、材料名称；最多可输入17层，若小于17层，则仅输入实际铺层参数即可，剩余默认参数不用。

4、算例展示

1）算例参数输入

如图所示输入各项参数，各参数可根据项目实际情况更改，输入时注意各参数的单位，输入后点击OK,软件会自动建模并建立两个job：job-pipe，job-pipe-car；先提交job-pipe，运行完后，提交job-pipe-car。

2）算例结果展示

受泥土重力、内压时，复材管道第1到7层S11方向上的应力分布云图。

受泥土重力、内压时，复材管道第1到7层S22方向上的应力分布云图。

同时，也可在后处理中查看受到车辆载荷后管道应力分布的变化。

3）算例动画展示

下图所示为开挖及填埋模型位移动画及填埋后受车辆压强时位移动画。

5、结论

根据ABAQUS二次开发的复材管道埋管参数化仿真，可得出如下结论：

1）依据此插件可快速建立复材埋管参数化模型，有效提高建模、计算效率；

2）依据此插件可研究管道尺寸、埋地深度、材料参数等与受载之间的关系；

3）在此插件的基础上可进一步二次开发，研究振动、爆炸冲击等载荷对管道的影响；

4）可在此基础上对埋地管道进行参数化优化设计。

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