管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件(PipeDesign)
管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件PipeDesign是一款集管路布管、幾何建模、網(wǎng)格剖分、管道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析、管道水力學(xué)特性分析、多尺度耦合分析及流固耦合分析等功能于一體的專業(yè)仿真軟件平臺(tái)。軟件具備三維可視化人機(jī)交互、高效有限元求解、結(jié)果規(guī)范化評(píng)價(jià)等典型特征，可實(shí)現(xiàn)不同安全等級(jí)、不同工質(zhì)類型、不同復(fù)雜度的管路結(jié)構(gòu)的仿真分析。
圖1 管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件
一、功能特點(diǎn)
1. 管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件1D水力特性分析模塊可用于管路系統(tǒng)的單相等溫分析（包括支管流量、壓降、節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算）、單相對(duì)流換熱仿真計(jì)算（包含單相液體對(duì)流換熱、單相蒸汽對(duì)流換熱、管外壁與空氣換熱）、兩相仿真分析（包含汽量計(jì)算）等。
2. 管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件3D水力特性分析模塊基于有限體積法離散流體力學(xué)控制方程，支持網(wǎng)格的導(dǎo)入導(dǎo)出、自動(dòng)剖分，可實(shí)現(xiàn)定常/非定常、層流/湍流等的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)模擬。
3. 管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件1D-3D多尺度耦合分析模塊可實(shí)現(xiàn)一維三維分析模型約束及載荷映射功能，根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)一維分析結(jié)果，可自動(dòng)提取合適的力學(xué)參數(shù)映射至管網(wǎng)系統(tǒng)三維邊界上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)約束及載荷的一維三維傳遞。
4. 管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件1D結(jié)構(gòu)特性分析模塊可用于管網(wǎng)系統(tǒng)的管路布置及系統(tǒng)的靜力、模態(tài)及瞬態(tài)響應(yīng)分析，并基于設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行管路系統(tǒng)應(yīng)力的校核，提供自動(dòng)報(bào)告生成功能。
5. 管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件3D結(jié)構(gòu)特性分析模塊基于有限元方法針對(duì)局部管道進(jìn)行詳細(xì)分析，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的導(dǎo)入、自動(dòng)剖分，實(shí)現(xiàn)局部管路的靜力、模態(tài)及瞬態(tài)響應(yīng)分析。同時(shí)模塊內(nèi)嵌流固耦合插值功能，可完成流體域和結(jié)構(gòu)域的數(shù)據(jù)交換，為結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性分析提供載荷來(lái)源。
二、特色優(yōu)勢(shì)
1. 具備多樣化的分析結(jié)果后處理功能，可實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果變量的曲線、云圖、表格等多樣化展示和導(dǎo)出，可實(shí)現(xiàn)基于ASME-NC規(guī)范的分析結(jié)果評(píng)價(jià)及分析報(bào)告的快速生成。
2. 具備豐富的行業(yè)常用管件庫(kù)、接頭元件庫(kù)、閥門(mén)和泵的特性曲線參數(shù)等，支持一維和三維管道及其附件（包括閥門(mén)、彎頭、三通等）幾何模型的參數(shù)化建模功能。
3. 支持通用CAD幾何模型的導(dǎo)入，包含.x_t、.stp、.iges、.ACIS等4種以上格式，支持.neu、.msh等流體網(wǎng)格格式導(dǎo)出。
4. 具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析功能。
三、典型案例
單相等溫支管流量求解——在管網(wǎng)系統(tǒng)中，用戶根據(jù)實(shí)際模型進(jìn)行布管，在給定入口與出口邊界條件下，可利用本軟件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)壓力以及支管流量的求解。
圖2 管網(wǎng)系統(tǒng)布置界面
圖3 管網(wǎng)系統(tǒng)分析結(jié)果輸出文件
管網(wǎng)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)分析——管網(wǎng)系統(tǒng)在瞬態(tài)條件下，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力載荷隨時(shí)間變化發(fā)出響應(yīng)，軟件基于PCG迭代求解器，進(jìn)行求解。其分析結(jié)果與商業(yè)有限元軟件MSC. Nastran的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（選取其中4個(gè)時(shí)間步的結(jié)果），對(duì)比如圖所示，可見(jiàn)各計(jì)算結(jié)果基本一致，最大誤差為0.15%。
圖4 管網(wǎng)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)分析模型
（a）時(shí)間步11（管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件） （b）時(shí)間步11（MSC.Nastran）
（c）時(shí)間步41（管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件） （d）時(shí)間步41（MSC.Nastran）
（e）時(shí)間步71（管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件） （f）時(shí)間步71（MSC.Nastran）
（g）時(shí)間步91（管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件） （h）時(shí)間步91（MSC.Nastran）
圖5 各時(shí)間步計(jì)算結(jié)果對(duì)比
圖6 節(jié)點(diǎn)4的X向位移結(jié)果對(duì)比
彎管靜力分析——彎管受節(jié)點(diǎn)集中力和節(jié)點(diǎn)集中力矩作用引起變形問(wèn)題，管網(wǎng)系統(tǒng)分析軟件通過(guò)3D結(jié)構(gòu)分析模塊求解靜力分析，并進(jìn)行后處理。分析結(jié)果與商業(yè)有限元軟件MSC. Nastran的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最大位移計(jì)算結(jié)果一致。
（a）位移結(jié)果云圖（管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件）
（b）位移結(jié)果云圖（MSC.Nastran）
圖7 位移結(jié)果云圖對(duì)比
應(yīng)力結(jié)果云圖對(duì)比如下所示，最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果誤差為1.52%。
（a）Von-Mises應(yīng)力結(jié)果云圖（管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件）
（b）Von-Mises應(yīng)力結(jié)果云圖（MSC.Nastran）
圖8 Von-Mises應(yīng)力結(jié)果云圖對(duì)比
任意選取100個(gè)節(jié)點(diǎn)（如節(jié)點(diǎn)301~400），對(duì)比其Y向位移計(jì)算結(jié)果，如下圖所示，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果一致。
圖9 節(jié)點(diǎn)301~400 Y向位移結(jié)果對(duì)比
管網(wǎng)系統(tǒng)模態(tài)分析——管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)承受不同類型的外載荷激勵(lì)，例如泵、壓縮機(jī)的振動(dòng)，以及地震、風(fēng)載等，結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的振動(dòng)特性決定了對(duì)于其他動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況。通過(guò)管網(wǎng)系統(tǒng)的模態(tài)分析，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行評(píng)估。將計(jì)算結(jié)果與商業(yè)有限元軟件MSC. Nastran的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，第7~10階模態(tài)振型對(duì)比如圖10所示（其中，管網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件縮放因子設(shè)為60），可見(jiàn)各階振型計(jì)算結(jié)果一致，最大位移計(jì)算誤差不超過(guò)0.25%。
（a）第7階模態(tài)（壓力管道軟件） （b）第7階模態(tài)（MSC.Nastran）
（c）第8階模態(tài)（壓力管道軟件） （d）第8階模態(tài)（MSC.Nastran）
（e）第9階模態(tài)（壓力管道軟件） （f）第9階模態(tài)（MSC.Nastran）
圖10 模態(tài)分析各階振型計(jì)算結(jié)果對(duì)比
任意選取一階固有頻率（如第7階固有頻率），對(duì)比任意節(jié)點(diǎn)（如節(jié)點(diǎn)5201~5300）的Y向位移計(jì)算結(jié)果，如下圖所示，可見(jiàn)計(jì)算結(jié)果一致。
圖11 第7階模態(tài)節(jié)點(diǎn)5201~5300 Y向位移結(jié)果對(duì)比
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