鄭 凱

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司渤海工程技術(shù)服務(wù)中心， 天津 300452)

基于PDMS的支吊架校核系統(tǒng)介紹

鄭 凱

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司渤海工程技術(shù)服務(wù)中心， 天津 300452)

作為一款三維設(shè)計(jì)軟件，工廠三維布置設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)(PDMS)發(fā)展的一個(gè)重要方面是用戶(hù)在使用中的自我不斷完善改進(jìn)?；赑DMS平臺(tái)，二次開(kāi)發(fā)出一款內(nèi)嵌式輔助設(shè)計(jì)支吊架校核軟件。使用編制的支吊架載荷計(jì)算軟件，可自動(dòng)驗(yàn)算支架載荷，生成最優(yōu)支架形式，從而提高支吊架設(shè)計(jì)的安全性，同時(shí)降低建造成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。

海洋工程；支吊架；校核；二次開(kāi)發(fā)；優(yōu)化

0 引 言

工廠三維布置設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)(PDMS)是英國(guó)AVEVA公司的一款三維(3D)設(shè)計(jì)軟件，其自發(fā)布以來(lái)就成為大型、復(fù)雜工廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目的首選設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。PDMS發(fā)展的一個(gè)重要方面是用戶(hù)在使用中的自我不斷完善改進(jìn)。用戶(hù)可在所在的工程項(xiàng)目中制定自己的PDMS企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和操作指南，并且組織設(shè)計(jì)人員將已做工程的通用資料經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化整理納入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而使PDMS軟件在使用中不斷充實(shí)完善。

用PDMS軟件設(shè)計(jì)支吊架直觀、快捷，并能自動(dòng)生成CAD格式的制作圖，但是缺點(diǎn)是不能對(duì)支吊架進(jìn)行載荷計(jì)算，無(wú)法為支吊架設(shè)計(jì)提供有效的設(shè)計(jì)依據(jù)。結(jié)合已研究出的一套完整的支吊架載荷計(jì)算方法及相關(guān)計(jì)算公式，利用已有的PDMS軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)PDMS軟件二次開(kāi)發(fā)，可以解決上述問(wèn)題。本文介紹新開(kāi)發(fā)的一款用于海洋工程支吊架系統(tǒng)的載荷校核軟件，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降低項(xiàng)目綜合成本的目的。

1 項(xiàng)目初期準(zhǔn)備及總體規(guī)劃

項(xiàng)目初期，基于對(duì)以往海洋工程項(xiàng)目支吊架的受力分析與計(jì)算研究，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，研究開(kāi)發(fā)出了一套支吊架載荷計(jì)算方法和計(jì)算公式。以此為理論依據(jù)，開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)海洋工程支吊架設(shè)計(jì)分析和驗(yàn)算體系。在體系框架初步建立后，進(jìn)行PDMS中MDS模塊數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件的二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)和后處理結(jié)構(gòu)計(jì)算程序的接口程序，包括：(1)后處理結(jié)構(gòu)計(jì)算程序；(2)校驗(yàn)報(bào)告計(jì)算書(shū)模板；(3)支吊架受力分析和受力圖模板等。

項(xiàng)目中，應(yīng)力計(jì)算方法采用國(guó)內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)力學(xué)中的矩陣位移法，計(jì)算的重點(diǎn)是架體主支撐體系和連梁體系結(jié)構(gòu)計(jì)算[1]。根據(jù)海洋工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，針對(duì)常見(jiàn)的幾種支吊架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行力學(xué)的分析，計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)采用的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)[2]。

應(yīng)力計(jì)算軟件是在PDMS軟件的基礎(chǔ)上，調(diào)用已有的PDMS管線(xiàn)數(shù)據(jù)、PDMS支吊架數(shù)據(jù)庫(kù)、CII管線(xiàn)應(yīng)力計(jì)算數(shù)據(jù)，智能分析管線(xiàn)和支吊架的形狀和應(yīng)力作用點(diǎn)，最后計(jì)算支吊架內(nèi)應(yīng)力，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果判定支吊架強(qiáng)度是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，并在合格的基礎(chǔ)上對(duì)支吊架進(jìn)行優(yōu)化建議。

2 支吊架校核系統(tǒng)界面介紹

2.1 各模塊功能總體說(shuō)明

支吊架校核系統(tǒng)總體界面如圖1所示。各設(shè)計(jì)工具簡(jiǎn)介如下。

圖1 支吊架校核系統(tǒng)總體操作界面Fig.1 Operating interface of the check system for supports and hangers

(1) 總體信息：設(shè)置計(jì)算路徑及計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

(2) 支吊架估算：在PDMS中進(jìn)行支吊架布置前，估算支吊架截面。

(3) 選取CE：在PDMS中，在Design Explorer列表欄中選取需要進(jìn)行計(jì)算的管道與支吊架。

(4) 讀取CII計(jì)算結(jié)果：讀取通過(guò)CII管道計(jì)算程序計(jì)算的CII結(jié)果文件*.MDB。

(5) 支吊架模型分析：對(duì)選取的支吊架與管道進(jìn)行A*算法分析，得出單榀支吊架所承擔(dān)的管道信息。

(6) 支吊架計(jì)算：對(duì)模型分析成功的支吊架進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算及規(guī)范驗(yàn)算，得出支吊架的安全裕度應(yīng)力，同時(shí)提供截面優(yōu)化建議。

(7) 輸出結(jié)果報(bào)告：對(duì)計(jì)算成功的支吊架輸出Word版本計(jì)算報(bào)告。

(8) 當(dāng)前材料統(tǒng)計(jì)：對(duì)當(dāng)前選取的支吊架進(jìn)行數(shù)量和重量統(tǒng)計(jì)。

(9) 優(yōu)化后材料統(tǒng)計(jì)：可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目中支吊架優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的數(shù)量和材料重量統(tǒng)計(jì)。

支吊架校核系統(tǒng)計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 支吊架校核系統(tǒng)計(jì)算流程Fig.2 Calculation process of the check system for supports and hangers

2.2 應(yīng)用流程介紹

應(yīng)用中的系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 應(yīng)用中的系統(tǒng)界面Fig.3 Engaged system interface

2.2.1設(shè)置計(jì)算路徑及計(jì)算相關(guān)參數(shù)

在進(jìn)行相關(guān)設(shè)置時(shí)，注意事項(xiàng)如下。

設(shè)置CII轉(zhuǎn)換PDMS管道精度：由于計(jì)算程序的不同，建立的管道定位坐標(biāo)有數(shù)值誤差，為了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確匹配，設(shè)置轉(zhuǎn)換精度控制。默認(rèn)值為5mm，建議在2～5mm之間設(shè)定[3]。

PDMS桿件忽略精度：PDMS模型建立中，會(huì)建立一些墊梁，比如槽鋼、角鋼等長(zhǎng)度在200mm以?xún)?nèi)的桿件。在有限元模型中，這些桿件將不參與計(jì)算。

設(shè)計(jì)規(guī)范：程序默認(rèn)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)。

鋼材等級(jí)：程序采用中國(guó)鋼材等級(jí)Q235、Q345、Q390、Q420。

撓度限值：按照規(guī)范定義對(duì)于橫梁的下?lián)峡刂葡拗啤３绦蚰J(rèn)為橫梁長(zhǎng)度的1/200，可自行定義。

受拉構(gòu)件容許長(zhǎng)細(xì)比：按照規(guī)范定義取值200～300。

受壓構(gòu)件容許長(zhǎng)細(xì)比：按照規(guī)范定義取值150～180[4]。

2.2.2支吊架初始估算及驗(yàn)算

本計(jì)算模塊為獨(dú)立模塊，可獨(dú)立使用，方便用戶(hù)在布置支吊架之前進(jìn)行截面的優(yōu)選確定。初始估算界面如圖4所示。荷載輸入：程序?qū)ψ饔糜跈M梁上的荷載提供了三種荷載形式，分別為集中荷載、均布荷載、分布荷載；用戶(hù)可以根據(jù)不同的情況進(jìn)行模擬。所有的荷載輸入均為三維環(huán)境下，即：可考慮作用于支吊架平面內(nèi)、平面外的受力[5]。

圖4 支吊架初始估算界面Fig.4 Initial estimate interface of the supports and hangers

2.2.3選取CE

在Design Explorer列表中選中需進(jìn)行計(jì)算的支吊架以及對(duì)應(yīng)的管道，分別點(diǎn)擊“添加SUPPORT”“添加PIPE”，添加需進(jìn)行計(jì)算的支吊架與管道至對(duì)話(huà)框列表中。

2.2.4讀取CII計(jì)算結(jié)果

在CII計(jì)算程序中，導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果為MDB文件，點(diǎn)擊“讀入CII-MDB”，彈出文件選擇框，選取CII的MDB文件。選取后的文件將會(huì)在列表框中顯示，可支持選取多個(gè)CII計(jì)算結(jié)果。

2.2.5支吊架模型分析

程序?qū)⒆詣?dòng)匹配所讀取的CII管道約束內(nèi)力結(jié)果，并且自動(dòng)轉(zhuǎn)換為PDMS的全局坐標(biāo)系。若無(wú)CII的計(jì)算數(shù)據(jù)，則自動(dòng)導(dǎo)算為管道的自重。

2.2.6支吊架計(jì)算

CII管道計(jì)算作用荷載：用戶(hù)可查看CII導(dǎo)入的作用節(jié)點(diǎn)，以及作用節(jié)點(diǎn)處的約束反力。約束反力不可修改，且已轉(zhuǎn)換為PDMS的全局坐標(biāo)系下的內(nèi)力。

點(diǎn)擊“內(nèi)力計(jì)算及規(guī)范驗(yàn)算”，程序調(diào)用三維有限元內(nèi)力計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。

如圖5所示，用戶(hù)可以在左側(cè)列表中的截面庫(kù)中，選取要進(jìn)入優(yōu)化截面庫(kù)的截面，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)在優(yōu)選截面庫(kù)中選取合適的截面。

圖5 支吊架材料優(yōu)化截面庫(kù)Fig.5 Cross-section database for optimization of the supports and hangers materials

優(yōu)化安全裕度：取值0.2～0.8，表示桿件的容許應(yīng)力的控制值[6]。

優(yōu)化計(jì)算：包含了單品優(yōu)化和全部?jī)?yōu)化，可以輸出單品優(yōu)化材料清單和整個(gè)項(xiàng)目所有截面優(yōu)化后材料清單。

規(guī)范驗(yàn)算結(jié)果：顯示驗(yàn)算結(jié)果及截面信息，如圖6所示。

圖6 支吊架驗(yàn)算結(jié)果及截面信息顯示Fig.6 Calculation results and section information display of the supports and hangers

2.2.7輸出結(jié)果報(bào)告

輸出計(jì)算報(bào)告表格中分別列出計(jì)算失敗的支吊架以及計(jì)算成功的支吊架，并且在列表中顯示支吊架中桿件的最大截面應(yīng)力值。

列表中按照從大到小的順序進(jìn)行排列。

選取某一項(xiàng)支吊架或者多選支吊架，程序?qū)⒆詣?dòng)啟動(dòng)Office-Word程序，自動(dòng)生成計(jì)算報(bào)告，計(jì)算報(bào)告在同一個(gè)Word文件中。

2.2.8當(dāng)前和優(yōu)化后材料統(tǒng)計(jì)

程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用Office-Word程序生成材料表。

3 成果意義及應(yīng)用展望

研究成果為支吊架的形式和材料的選取提供理論依據(jù)和優(yōu)化建議，提高了建造項(xiàng)目安全性，降低建造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。將管道支吊架設(shè)計(jì)分析應(yīng)用于海洋工程加工設(shè)計(jì)中，是對(duì)海洋工程管道設(shè)計(jì)的完善和補(bǔ)充。本軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能減少了設(shè)計(jì)人員的人工投入，提高了材料統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，同時(shí)有效降低了項(xiàng)目成本。該軟件系統(tǒng)使用的基本要求相對(duì)簡(jiǎn)單，所有使用PDMS軟件的機(jī)構(gòu)都可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并且操作方便、實(shí)用性強(qiáng)，推廣應(yīng)用潛力大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所介紹系統(tǒng)可自動(dòng)完成設(shè)計(jì)、繪圖、材料統(tǒng)計(jì)等設(shè)計(jì)工作，減少了大量重復(fù)工作，縮短了工作時(shí)間，減少設(shè)計(jì)工作的人工投入，在提高工作效率和準(zhǔn)確性的同時(shí)降低了人工成本；其研究成果為支吊架的型式、材料的選取提供合理建議，在保證工程建造項(xiàng)目安全性和可靠性的同時(shí)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低建造成本。希望通過(guò)介紹可使該系統(tǒng)更普遍地被潛在用戶(hù)所了解。其應(yīng)用潛力巨大，可廣泛應(yīng)用于海洋工程項(xiàng)目中。

[1] 繆瑞卿, 趙兆泉. 靜載荷作用下連續(xù)梁?jiǎn)卧木_解[J]. 江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),1994(2):13.

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. GB50017—2003. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2003.

[3] 高明中, 陳雨雪. 不同載荷形式下型鋼支架承載能力的正交優(yōu)化[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016(1):65.

[4] 張倩, 呂興曄. 基于力學(xué)報(bào)告進(jìn)行支架設(shè)計(jì)及校核[J]. 電子機(jī)械工程,2014(12):175.

[5] 唐涌濤, 關(guān)暉, 蘇榮福, 等. 基于PDMS的管道支吊架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)[J]. 核動(dòng)力工程,2014(4):35.

[6] 張德姜, 王懷義, 劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)，第一篇，設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 北京: 中國(guó)石化出版社,2004.

IntroductiontotheCheckSystemforSupportsandHangersBasedonPDMS

ZHENG Kai

(BohaiEngineeringandTechnicalServiceCenter,CNOOCEnergyDevelopmentEquipmentTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Plant Design Management System (PDMS) is a three-dimensional (3D) design software of AVEVA from UK. The self improvement of the user is an important aspect for the development of PDMS. An embedded aided design software for checking supports and hangers is developed based on PDMS platform. The programmed load computation software for supports and hangers can be used to automatically check the load and output the optimal form of supports and hangers. In this way, the safety of supports and hangers design is improved, the construction cost is reduced, and the economic performance is enhanced.

ocean engineering; supports and hangers; check; secondary development; optimization

2016-07-18

鄭凱(1984—)，男，工程師，主要從事海洋工程平臺(tái)管道設(shè)計(jì)及建造工作。

P752

A

2095-7297(2016)04-0257-04