基于PDMS的支吊架校核系统介绍

郑 凯

(中海油能源发展装备技术有限公司渤海工程技术服务中心， 天津 300452)

基于PDMS的支吊架校核系统介绍

郑 凯

(中海油能源发展装备技术有限公司渤海工程技术服务中心， 天津 300452)

作为一款三维设计软件，工厂三维布置设计管理系统(PDMS)发展的一个重要方面是用户在使用中的自我不断完善改进。基于PDMS平台，二次开发出一款内嵌式辅助设计支吊架校核软件。使用编制的支吊架载荷计算软件，可自动验算支架载荷，生成最优支架形式，从而提高支吊架设计的安全性，同时降低建造成本、提高经济效益。

海洋工程；支吊架；校核；二次开发；优化

0 引 言

工厂三维布置设计管理系统(PDMS)是英国AVEVA公司的一款三维(3D)设计软件，其自发布以来就成为大型、复杂工厂设计项目的首选设计软件系统。PDMS发展的一个重要方面是用户在使用中的自我不断完善改进。用户可在所在的工程项目中制定自己的PDMS企业标准和操作指南，并且组织设计人员将已做工程的通用资料经标准化整理纳入相应数据库，从而使PDMS软件在使用中不断充实完善。

用PDMS软件设计支吊架直观、快捷，并能自动生成CAD格式的制作图，但是缺点是不能对支吊架进行载荷计算，无法为支吊架设计提供有效的设计依据。结合已研究出的一套完整的支吊架载荷计算方法及相关计算公式，利用已有的PDMS软件数据库，对PDMS软件二次开发，可以解决上述问题。本文介绍新开发的一款用于海洋工程支吊架系统的载荷校核软件，通过优化设计，达到降低项目综合成本的目的。

1 项目初期准备及总体规划

项目初期，基于对以往海洋工程项目支吊架的受力分析与计算研究，根据相关设计规范，研究开发出了一套支吊架载荷计算方法和计算公式。以此为理论依据，开始研究开发海洋工程支吊架设计分析和验算体系。在体系框架初步建立后，进行PDMS中MDS模块数据应用软件的二次开发，通过读取数据，实现和后处理结构计算程序的接口程序，包括：(1)后处理结构计算程序；(2)校验报告计算书模板；(3)支吊架受力分析和受力图模板等。

项目中，应力计算方法采用国内常用的结构力学中的矩阵位移法，计算的重点是架体主支撑体系和连梁体系结构计算[1]。根据海洋工程项目的实际情况，针对常见的几种支吊架结构形式进行力学的分析，计算结果的验收标准采用的是国家标准《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[2]。

应力计算软件是在PDMS软件的基础上，调用已有的PDMS管线数据、PDMS支吊架数据库、CII管线应力计算数据，智能分析管线和支吊架的形状和应力作用点，最后计算支吊架内应力，并根据计算结果判定支吊架强度是否满足规范要求，并在合格的基础上对支吊架进行优化建议。

2 支吊架校核系统界面介绍

2.1 各模块功能总体说明

支吊架校核系统总体界面如图1所示。各设计工具简介如下。

图1 支吊架校核系统总体操作界面Fig.1 Operating interface of the check system for supports and hangers

(1) 总体信息：设置计算路径及计算相关参数。

(2) 支吊架估算：在PDMS中进行支吊架布置前，估算支吊架截面。

(3) 选取CE：在PDMS中，在Design Explorer列表栏中选取需要进行计算的管道与支吊架。

(4) 读取CII计算结果：读取通过CII管道计算程序计算的CII结果文件*.MDB。

(5) 支吊架模型分析：对选取的支吊架与管道进行A*算法分析，得出单榀支吊架所承担的管道信息。

(6) 支吊架计算：对模型分析成功的支吊架进行内力计算及规范验算，得出支吊架的安全裕度应力，同时提供截面优化建议。

(7) 输出结果报告：对计算成功的支吊架输出Word版本计算报告。

(8) 当前材料统计：对当前选取的支吊架进行数量和重量统计。

(9) 优化后材料统计：可以实现整个项目中支吊架优化设计之后的数量和材料重量统计。

支吊架校核系统计算流程如图2所示。

图2 支吊架校核系统计算流程Fig.2 Calculation process of the check system for supports and hangers

2.2 应用流程介绍

应用中的系统界面如图3所示。

图3 应用中的系统界面Fig.3 Engaged system interface

2.2.1设置计算路径及计算相关参数

在进行相关设置时，注意事项如下。

设置CII转换PDMS管道精度：由于计算程序的不同，建立的管道定位坐标有数值误差，为了数据准确匹配，设置转换精度控制。默认值为5mm，建议在2～5mm之间设定[3]。

PDMS杆件忽略精度：PDMS模型建立中，会建立一些垫梁，比如槽钢、角钢等长度在200mm以内的杆件。在有限元模型中，这些杆件将不参与计算。

设计规范：程序默认采用国家标准《钢结构设计规范》(GB50017—2003)。

钢材等级：程序采用中国钢材等级Q235、Q345、Q390、Q420。

挠度限值：按照规范定义对于横梁的下挠控制限制。程序默认为横梁长度的1/200，可自行定义。

受拉构件容许长细比：按照规范定义取值200～300。

受压构件容许长细比：按照规范定义取值150～180[4]。

2.2.2支吊架初始估算及验算

本计算模块为独立模块，可独立使用，方便用户在布置支吊架之前进行截面的优选确定。初始估算界面如图4所示。荷载输入：程序对作用于横梁上的荷载提供了三种荷载形式，分别为集中荷载、均布荷载、分布荷载；用户可以根据不同的情况进行模拟。所有的荷载输入均为三维环境下，即：可考虑作用于支吊架平面内、平面外的受力[5]。

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

2.2.3选取CE

在Design Explorer列表中选中需进行计算的支吊架以及对应的管道，分别点击“添加SUPPORT”“添加PIPE”，添加需进行计算的支吊架与管道至对话框列表中。

2.2.4读取CII计算结果

在CII计算程序中，导出计算结果为MDB文件，点击“读入CII-MDB”，弹出文件选择框，选取CII的MDB文件。选取后的文件将会在列表框中显示，可支持选取多个CII计算结果。

2.2.5支吊架模型分析

程序将自动匹配所读取的CII管道约束内力结果，并且自动转换为PDMS的全局坐标系。若无CII的计算数据，则自动导算为管道的自重。

2.2.6支吊架计算

CII管道计算作用荷载：用户可查看CII导入的作用节点，以及作用节点处的约束反力。约束反力不可修改，且已转换为PDMS的全局坐标系下的内力。

点击“内力计算及规范验算”，程序调用三维有限元内力计算程序进行计算。

如图5所示，用户可以在左侧列表中的截面库中，选取要进入优化截面库的截面，进行优化计算时，程序将自动在优选截面库中选取合适的截面。

图5 支吊架材料优化截面库Fig.5 Cross-section database for optimization of the supports and hangers materials

优化安全裕度：取值0.2～0.8，表示杆件的容许应力的控制值[6]。

优化计算：包含了单品优化和全部优化，可以输出单品优化材料清单和整个项目所有截面优化后材料清单。

规范验算结果：显示验算结果及截面信息，如图6所示。

图6 支吊架验算结果及截面信息显示Fig.6 Calculation results and section information display of the supports and hangers

2.2.7输出结果报告

输出计算报告表格中分别列出计算失败的支吊架以及计算成功的支吊架，并且在列表中显示支吊架中杆件的最大截面应力值。

列表中按照从大到小的顺序进行排列。

选取某一项支吊架或者多选支吊架，程序将自动启动Office-Word程序，自动生成计算报告，计算报告在同一个Word文件中。

2.2.8当前和优化后材料统计

程序将自动调用Office-Word程序生成材料表。

3 成果意义及应用展望

研究成果为支吊架的形式和材料的选取提供理论依据和优化建议，提高了建造项目安全性，降低建造成本，提高经济效益。将管道支吊架设计分析应用于海洋工程加工设计中，是对海洋工程管道设计的完善和补充。本软件自动统计功能减少了设计人员的人工投入，提高了材料统计的准确性，同时有效降低了项目成本。该软件系统使用的基本要求相对简单，所有使用PDMS软件的机构都可实现应用，并且操作方便、实用性强，推广应用潜力大。

4 结 语

本文所介绍系统可自动完成设计、绘图、材料统计等设计工作，减少了大量重复工作，缩短了工作时间，减少设计工作的人工投入，在提高工作效率和准确性的同时降低了人工成本；其研究成果为支吊架的型式、材料的选取提供合理建议，在保证工程建造项目安全性和可靠性的同时通过优化设计，降低建造成本。希望通过介绍可使该系统更普遍地被潜在用户所了解。其应用潜力巨大，可广泛应用于海洋工程项目中。

[1] 缪瑞卿, 赵兆泉. 静载荷作用下连续梁单元的精确解[J]. 江苏石油化工学院学报,1994(2):13.

[2] 中华人民共和国建设部. GB50017—2003. 钢结构设计规范[S].2003.

[3] 高明中, 陈雨雪. 不同载荷形式下型钢支架承载能力的正交优化[J].安徽理工大学学报(自然科学版),2016(1):65.

[4] 张倩, 吕兴晔. 基于力学报告进行支架设计及校核[J]. 电子机械工程,2014(12):175.

[5] 唐涌涛, 关晖, 苏荣福, 等. 基于PDMS的管道支吊架结构设计软件开发[J]. 核动力工程,2014(4):35.

[6] 张德姜, 王怀义, 刘绍叶. 石油化工装置工艺管道安装设计手册，第一篇，设计与计算[M]. 北京: 中国石化出版社,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

郑凯(1984—)，男，工程师，主要从事海洋工程平台管道设计及建造工作。

P752

A

2095-7297(2016)04-0257-04