CN112464534B - 油气管悬索跨越仿真分析模型及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油气管悬索跨越仿真分析模型及其构建方法，所述构建方法包括以下步骤：先建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型，再针对预设索形进行单索找形找力，从而建立索系模型，耦合四个模型得到初步建立的悬索跨越模型；对悬索跨越结构进行找形找力，得到修正后的悬索跨越模型；根据实际施工的不同阶段，进行荷载工况分析，并施加相应的外荷载，进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算，并对计算结果进行收敛性检查；若计算不收敛，则修正模型，若计算收敛，则分析计算结果，获取各构件的位移变化和应力变化。本发明能够模拟悬索跨越结构各个阶段的受力状态，从而为采用动态稳固措施解决全跨施工过程安全风险的问题奠定基础。

Description

油气管悬索跨越仿真分析模型及其构建方法

技术领域

本发明涉及油气管道大型跨越的数值模拟技术，具体来讲，涉及一种油气管悬索跨越仿真分析模型及其构建方法。

背景技术

一般而言，油气管道跨越是一种采用类似桥梁结构的方式承载油气管道通过峡谷、河流等地域的工程结构。通常，油气管道跨越有悬索式、斜拉索式、桁架等主要结构形式，其中悬索式和斜拉索式是国内外应用最多的油气管道跨越结构形式。这两种结构主要由下部结构(基础及锚固结构)、塔架、索系、桥面结构等构成。

发明人经研究发现：油气管道悬索跨越结构在整个施工过程中会经过不同的荷载工况，存在明显的非线性行为和较为复杂的刚性受力变化。例如，悬索跨越结构属于大跨度、低阻尼、超柔性体系，变形特征为大位移、小应变，是典型的几何非线性结构。悬索跨越结构主要材料为钢索、型钢，钢材为典型的非线性材料，钢索是只能够承受拉力作用的典型柔性材料，整体结构主要节点都采用的销接链接，侧向刚度小，是典型的柔性结构。在实际施工和运行过程中，存在材料非线性和几何非线性，缆索在施工过程中由松弛状态到紧绷状态的状态改变，以及可能发生的一些振动，结构也会存在状态非线性行为。

此外，发明人还发现：现有悬索跨越结构安装，均不能有效掌控悬索跨越结构各个阶段的受力状态，无法实现对悬索跨越结构施工过程中各工况进行分析，也不能及时采取有效手段和措施合理应对悬索跨越结构各阶段的受力趋势。

因此，有必要发明一种油气管悬索跨越仿真分析模型，综合考虑悬索跨越结构施工过程中的影响因素，掌控悬索跨越结构各个阶段的受力状态，从而为采用动态稳固措施解决全跨施工过程安全风险的问题奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够模拟悬索跨越结构各个阶段的受力状态的油气管悬索跨越仿真分析模型的构建方法。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种油气管悬索跨越仿真分析模型的构建方法，包括以下步骤：S1、基于塔架、跨越承重梁以及管道的结构特点，分别对应建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型，然后在悬索跨越结构搭建完毕状态且主索系未受外力的前提下，进行预设索系的索形计算，针对每条索进行单索找形找力，反推施工完成后索系的真实索形，从而建立索系模型，将塔架模型、跨越承重梁模型、管道模型、以及索系模型耦合，得到初步建立的悬索跨越模型；S2、根据索系的真实索形，针对塔架、跨越承重梁和管道进行悬索跨越结构找形找力，反推悬索跨越结构搭建完毕后的结构状态，得到修正后的悬索跨越模型；S3、针对实际施工过程的不同阶段，进行荷载工况分析，然后对修正后的悬索跨越模型施加外荷载，进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算，并对计算结果进行收敛性检查；S4、若仿真模拟计算不能收敛，则对修正后的悬索跨越模型的模型结构和模型参数进行多次修正，直至符合计算收敛要求；若仿真模拟计算能够收敛，则根据模拟计算所对应的实际施工情况，对计算结果进行静力分析和/或模态分析和/或动力分析，获取悬索跨越结构的各构件的位移变化和应力变化。

在本发明的一个示例性实施例中，所述预设索系的索形计算可包括如下步骤：根据理论公式和基础数据，计算单根中跨主索悬链线坐标，从而计算悬索跨越主索系悬链线座标；将跨越承重梁荷载作为中跨主索附加密度施加在中跨主索上，得到中跨主索在受到跨越承重梁竖向荷载后的索形；根据中跨主索计算出来的水平力反推塔架处于直立状态下的边跨主索的索形，从而计算两个边跨索系座标。

在本发明的一个示例性实施例中，所述悬链线模型的计算方程可如式(1)所示为式中，l为跨度，m；c为高度差，m；z为高度，m；H为水平力，N；q为沿线均布荷载，N；α为第一系数，且/>β为第二系数，且/>

在本发明的一个示例性实施例中，所述塔架、跨越承重梁、以及管道的单元类型可为BEAM188单元，所述索的单元类型可为LINK10单元，且所述索可通过KEYOPT设置为仅受拉单元。

在本发明的一个示例性实施例中，所述LINK10单元对应的实常数可为索的截面面积和初始应变，索的初始应变可通过式(2)计算，所述式(2)为ε＝F/(EA)，式中ε为索的初始应变，F为初始内力值，E为索的弹性模量，A为索的截面面积。

在本发明的一个示例性实施例中，所述塔架的塔底部可采用两个节点分别约束平动自由度Ux、Uy、Uz，并靠两个节点之间的刚度约束ROTx，所述索系的边跨主索可采用完全约束，所述索系的风索可采用完全约束，所述跨越承重梁的两端可采用完全约束，所述管道可采用节点耦合的方法，将管道和跨越承重梁对应节点的六个方向的自由度完全耦合。

在本发明的一个示例性实施例中，所述单索找形找力的步骤可包括：进行预设索系的索形计算；对预设索系设置一个初始应变；对预设索系施加重力加速度进行计算，并将跨中z方向位移值与0进行比较；若跨中z方向位移值大于0，则增大初始应变值，再次循环对预设索系施加重力加速度进行计算，若跨中z方向位移值小于或等于0，则认为当次循环设置的初始应变值为悬索跨越结构搭建完毕状态下的初始应变值，单索找形找力结束。

在本发明的一个示例性实施例中，所述悬索跨越结构找形找力的步骤可包括：在索系的真实索系基础上，根据等效的跨越承重梁荷载，建立真实状态下的跨越承载梁模型，并与相对应的索系模型连接，还原真实状态下的悬索跨越模型；对跨越承重梁模型加载z方向的重力加速度；对真实状态下的悬索跨越模型进行仿真非线性分析；得到真实状态下的悬索跨越结构的索形及跨越承重梁位移挠度。

在本发明的一个示例性实施例中，所述实际施工过程的不同阶段可包括塔架吊装完毕后、安装跨越施工用施工索道系统、安装主索系。

本发明的另一方面提供了一种油气管悬索跨越仿真分析模型，所述悬索跨越仿真分析模型采用上述的构建方法构建而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点包括：能够综合考虑悬索跨越结构施工过程中的影响因素，模拟悬索跨越结构各个阶段的受力状态，从而为采用动态稳固措施解决全跨施工过程安全风险的问题奠定基础。

附图说明

图1示出了本发明的一个示例性实施例的油气管悬索跨越仿真分析模型的技术路线图；

图2示出了本发明的一个示例性实施例的单索找形找力的流程图；

图3示出了本发明的一个示例性实施例的主索索形图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例和附图来详细说明本发明的油气管悬索跨越仿真分析模型及其构建方法。本文中，“第一”和“第二”仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。

本发明所说的“x方向”、“y方向”、以及“z方向”是相对于悬索跨越结构而言的方位，具体是指边跨西岸朝向边跨东岸的方向为y轴正方向，跨越承重梁南面朝向跨越承重梁北面的方向为x轴正方向，跨越承重梁竖直向上方向为z轴正方向。

实施例1

图1示出了本发明的一个示例性实施例的油气管悬索跨越仿真分析模型的技术路线图。图2示出了本发明的一个示例性实施例的单索找形找力的流程图。图3示出了本发明的一个示例性实施例的主索索形图。

在本发明的一个示例性实施例中，本发明提供了一种油气管悬索跨越仿真分析模型的构建方法，如图1所示，所示构建方法包括以下步骤：

S1、基于塔架、跨越承重梁以及管道的结构特点，分别对应建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型，然后在悬索跨越结构搭建完毕状态且主索系未受外力的前提下，进行预设索系的索形计算，针对每条索进行单索找形找力，反推施工完成后索系的真实索形，从而建立索系模型，将塔架模型、跨越承重梁模型、管道模型、以及索系模型耦合，得到初步建立的悬索跨越模型。

这里，初步建立的悬索跨越模型是指采用直接建模的方法初步建立的悬索跨越结构的有限元数学模型。所述有限元数学模型的建立包括以下内容：结构的几何模型的建立、单元类型选取、各个构件的材料参数确定、边界条件施加、以及其他荷载的施加方式及大小。

具体来讲，悬索跨越结构包括塔架、跨越承重梁、管道和索系四个构件，所述悬索跨越结构的有限元数学模型为塔架模型、跨越承重梁模型、管道模型、以及索系模型耦合而成的数学模型。其中，塔架、跨越承重梁以及管道为刚性结构，可根据自身结构尺寸直接建立塔架几何模型、跨越承重梁几何模型和管道几何模型，然后根据各个构件的材料特性和承载特点，选择各自合适的单元类型、材料参数、以及边界条件，即可对应建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型。索系属于柔性结构，悬索结构以一系列受拉的索作为主要承重构件，这些索按一定规律组成各种不同形式的体系，并悬挂在相应的支撑结构上。因此，索系几何模型的建立不能直接依据其自身结构尺寸，而应该先预设索系的索形，然后在所述预设索系的索形上不断修正，直到反推出施工完成后索系的真实索形，再根据索的材料特性和承载特点，选择各自合适的单元类型、材料参数、以及边界条件，即可建立索系模型。

在本发明的一个示例性实施例中，所述塔架、跨越承重梁、以及管道的单元类型可为BEAM188单元。BEAM188单元是一个2节点的三维线性单元，在每个节点上有6或7个自由度(Ux，Uy，Uz，Rotx，Roty，Rotz或增加warp)，而且允许自定义梁截面。在实际工程(即物理模型)中，塔底部为铰支座，其约束三方向平动自由度Ux、Uy、Uz，约束Ux方向转动自由度，释放ROTy、ROTz两个方向转动自由度。因此，在塔架模型的边界条件施加中，所述塔架的塔底部可采用两个节点分别约束平动自由度Ux、Uy、Uz，并靠两个节点之间的刚度约束ROTx。在实际工程(即物理模型)中，跨越承重梁的两端为螺栓固定，其约束两方向平动自由度Uy、Uz和三个方向的转动自由度ROTx、ROTy、ROTz，预留长孔，允许在x方向有少许移动。由于长孔允许移动范围相比于跨度来说很小，跨越承重梁的两端与塔基连接部位可简化为固结，因此，在跨越承重梁模型的边界条件施加中，所述跨越承重梁的两端可采用完全约束。在实际工程(即物理模型)中，管道与跨越承重梁之间用抱箍连接，管道距离跨越承重梁有一定距离。因此，在管道模型的边界条件施加中，所述管道可采用节点耦合的方法，将管道和跨越承重梁对应节点的六个方向的自由度完全耦合。

在本发明的一个示例性实施例中，主索系在未受力的前提下是典型的悬链线，基础模型主索位置的确定可以采用悬链线计算模型。所述悬链线模型的计算方程如式(1)所示为：

式中，l为跨度，m；c为高度差，m；z为高度，m；H为水平力，N；q为沿线均布荷载，N；α为第一系数，且β为第二系数，且/>

所述预设索系的索形计算可包括如下步骤：

(1)根据理论公式和基础数据，计算单根中跨主索悬链线坐标，从而计算悬索跨越主索系悬链线座标。

(2)将跨越承重梁荷载作为中跨主索附加密度施加在中跨主索上，得到中跨主索在受到跨越承重梁竖向荷载后的索形。此处将跨越承重梁荷载作为中跨主索附加密度施加在中跨主索上，即增大中跨主索密度，从而水平力增大。

(3)根据中跨主索计算出来的水平力反推塔架处于直立状态下的边跨主索的索形，从而计算两个边跨索系座标。

进行预设索系的索形计算后，需针对每条索进行单索找形找力，反推施工完成后索系的真实索形，如图2所示，所述单索找形找力的步骤可包括：

(1)进行预设索系的索形计算。

(2)对预设索系设置一个初始应变。

(3)对预设索系施加重力加速度进行计算，并将跨中z方向位移值与0进行比较。

(4)若跨中z方向位移值大于0，则增大初始应变值，再次循环对预设索系施加重力加速度进行计算；若跨中z方向位移值小于或等于0，则认为当次循环设置的初始应变值为悬索跨越结构搭建完毕状态下的初始应变值，单索找形找力结束。

最终确定的主索形态如图3所示。

所述索的单元类型可为LINK10单元，且所述索可通过KEYOPT设置为仅受拉单元，以模拟索只能受拉的特性。LINK10单元有两个节点，三个自由度(Ux、Uy、Uz)。LINK10单元为直线单元，只能承受节点力，当索中内力较大时，索可以简化为直线计算，但当索中内力较小时，索其实不是直线，此时可以通过划分更密的单元获得更高的精度，通过设置实常数可以设置索的初始内力以及索的截面面积。LINK10单元对应的实常数有两个，分别为索的截面面积(AREA)和初始应变(ISTRAN)。索的初始应变可通过式(2)计算，所述式(2)为ε＝F/(EA)，式中ε为索的初始应变，F为初始内力值，E为索的弹性模量，A为索的截面面积。在实际工程(即物理模型)中，边跨主索和风索均为销子连接，他们约束三方向平动自由度Ux、Uy、Uz，约束Ux方向转动自由度，释放ROTy、ROTz两个方向转动自由度。而在LINK10单元中仅有Ux、Uy、Uz三个方向的平动自由度，因此，在索系模型的边界条件施加中，所述索系的边跨主索可采用完全约束，所述索系的风索也可采用完全约束。

S2、根据索系的真实索形，针对塔架、跨越承重梁和管道进行悬索跨越结构找形找力，反推悬索跨越结构搭建完毕后的结构状态，得到修正后的悬索跨越模型。

这里，悬索跨越结构找形找力是指在确定了索系的真实索形后，索系的位置和形态与初始预设的索形不一致，这意味着与索系相连接的构件(例如，跨越承重梁和塔架)所受的力也与其初始状态有所不用，为了保证在悬索跨越结构搭建完毕状态下，与索系相连接的构件仍处于直立状态，需查找这些构件所受的应力和产生的应变，并逐一修正。所述悬索跨越结构找形找力可包括以下步骤：

(1)在索系的真实索系基础上，根据等效的跨越承重梁荷载，建立真实状态下的跨越承载梁模型，并与相对应的索系模型连接，还原真实状态下的悬索跨越模型。

(2)对跨越承重梁模型加载z方向的重力加速度。

(3)对真实状态下的悬索跨越模型进行仿真非线性分析。

(4)得到真实状态下的悬索跨越结构的索形及跨越承重梁位移挠度。

这里，修正后的悬索跨越模型即为能够用于仿真模拟计算的油气管悬索跨越仿真分析模型。

S3、针对实际施工过程的不同阶段，进行荷载工况分析，然后对修正后的悬索跨越模型施加外荷载，进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算，并对计算结果进行收敛性检查。

需要说明的是，模型预处理是保证建模正确性和结果收敛性的重要环节，悬索跨越各施工阶段的仿真计算的建模过程均要基于悬索跨越结构搭建完毕状态，主要包括索形计算、单元选取、材料参数确定、边界条件施加、荷载工况分析和跨越悬索结构整体找形找力分析。悬索结构在索找形找力结束后，才能施加外部荷载，进行下一步分析。这里，所述实际施工过程的不同阶段可包括塔架吊装完毕后、安装跨越施工用施工索道系统、安装主索系。例如，可悬索结构在索找形找力完成后，根据设计图纸，采用动态稳定方式进行施工用索道系统、主索系安装，采用仿真分析对跨越结构建模，从而计算出每次吊装过程塔架位移值、塔架铰座应力值、被动牵引张紧系统各组张力。又例如，可根据总体跨越承重梁吊装过程中的受力状态，对塔架建立主动及被动稳定措施，其中，主动稳定措施采用塔架铰支座约束状态修改进行计算，被动稳定措施采用有限元单元建模进入全跨模型整体仿真分析。

S4、若仿真模拟计算不能收敛，则对修正后的悬索跨越模型的模型结构和模型参数进行多次修正，直至符合计算收敛要求；若仿真模拟计算能够收敛，则根据模拟计算所对应的实际施工情况，对计算结果进行静力分析和/或模态分析和/或动力分析，获取悬索跨越结构的各构件的位移变化和应力变化。模型修正方法是通过修改索系的初应变来仿真初索拉力的修改，从而得到更能接近真实初索拉力的状态，从而提高计算收敛效率。

实施例2

在本发明的另一个示例性实施例中，一种油气管悬索跨越仿真分析模型采用上述实施例中的油气管悬索跨越仿真分析模型的构建方法构建而成。

综上所述，本发明的有益效果和优点包括：能够综合考虑悬索跨越结构施工过程中的影响因素，模拟悬索跨越结构各个阶段的受力状态，从而为采用动态稳固措施解决全跨施工过程安全风险的问题奠定基础。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (8)

1.一种油气管悬索跨越仿真分析系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于塔架、跨越承重梁以及管道的结构特点，分别对应建立塔架模型、跨越承重梁模型和管道模型，然后在悬索跨越结构搭建完毕状态且主索系未受外力的前提下，进行预设索系的索形计算，针对每条索进行单索找形找力，反推施工完成后索系的真实索形，从而建立索系模型，将塔架模型、跨越承重梁模型、管道模型、以及索系模型耦合，得到初步建立的悬索跨越系统；

所述预设索系的索形计算包括如下步骤：根据理论公式和基础数据，计算单根中跨主索悬链线坐标，从而计算悬索跨越主索系悬链线坐标；将跨越承重梁荷载作为中跨主索附加密度施加在中跨主索上，得到中跨主索在受到跨越承重梁竖向荷载后的索形；根据中跨主索计算出来的水平力反推塔架处于直立状态下的边跨主索的索形，从而计算两个边跨索系坐标；

所述单索找形找力的步骤包括：进行预设索系的索形计算；对预设索系设置一个初始应变；对预设索系施加重力加速度进行计算，并将跨中z方向位移值与0进行比较；若跨中z方向位移值大于0，则增大初始应变值，再次循环对预设索系施加重力加速度进行计算，若跨中z方向位移值小于或等于0，则认为当次循环设置的初始应变值为悬索跨越结构搭建完毕状态下的初始应变值，单索找形找力结束；

S2、根据索系的真实索形，针对塔架、跨越承重梁和管道进行悬索跨越结构找形找力，反推悬索跨越结构搭建完毕后的结构状态，得到修正后的悬索跨越系统；

S3、针对实际施工过程的不同阶段，进行荷载工况分析，然后对修正后的悬索跨越系统施加外荷载，进行悬索跨越结构各施工阶段的仿真模拟计算，并对计算结果进行收敛性检查；

S4、若仿真模拟计算不能收敛，则对修正后的悬索跨越系统的系统结构和系统参数进行多次修正，直至符合计算收敛要求；若仿真模拟计算能够收敛，则根据模拟计算所对应的实际施工情况，对计算结果进行静力分析和/或模态分析和/或动力分析，获取悬索跨越结构的各构件的位移变化和应力变化。

2.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析系统的构建方法，其特征在于，所述悬链线坐标的计算方程如式(1)所示：

式中，l为跨度，m；c为高度差，m；z为高度，m；H为水平力，N；q为沿线均布荷载，N；α为第一系数，且β为第二系数，且/>

3.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析系统的构建方法，其特征在于，所述塔架、跨越承重梁、以及管道的单元类型为BEAM188单元，所述索的单元类型为LINK10单元，且所述索通过KEYOPT设置为仅受拉单元。

4.根据权利要求3所述的油气管悬索跨越仿真分析系统的构建方法，其特征在于，所述LINK10单元对应的实常数为索的截面面积和初始应变，索的初始应变通过式(2)计算，所述式(2)为ε＝F(EA)，式中ε为索的初始应变，F为初始内力值，E为索的弹性模量，A为索的截面面积。

5.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析系统的构建方法，其特征在于，所述塔架的塔底部采用两个节点分别约束平动自由度Ux、Uy、Uz，并靠两个节点之间的刚度约束ROTx，所述索系的边跨主索采用完全约束，所述索系的风索采用完全约束，所述跨越承重梁的两端采用完全约束，所述管道采用节点耦合的方法，将管道和跨越承重梁对应节点的六个方向的自由度完全耦合。

6.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析系统的构建方法，其特征在于，所述悬索跨越结构找形找力的步骤包括：

在索系的真实索系基础上，根据等效的跨越承重梁荷载，建立真实状态下的跨越承载梁模型，并与相对应的索系模型连接，还原真实状态下的悬索跨越系统；

对跨越承重梁模型加载z方向的重力加速度；

对真实状态下的悬索跨越系统进行仿真非线性分析；

得到真实状态下的悬索跨越结构的索形及跨越承重梁位移挠度。

7.根据权利要求1所述的油气管悬索跨越仿真分析系统的构建方法，其特征在于，所述实际施工过程的不同阶段包括塔架吊装完毕后、安装跨越施工用施工索道系统、安装主索系。

8.一种油气管悬索跨越仿真分析系统，其特征在于，所述悬索跨越仿真分析系统采用如权利要求1至7中任意一项所述的构建方法构建而成。