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工程领导者 HCL Technologies 利用 SIMULIA Abaqus 在单根管道进入水中之前优化海底管道性能。

海上管道通常在极端条件下和很远的距离下运输世界上一些最重要的资源。它们的可靠性至关重要——一次故障可能会造成严重的环境后果，带来严重的安全风险，并导致数百万美元的计划外停机和维修。

“这些管道必须是 100% 安全可靠的，”HCL Technologies 的集团技术经理 Prasanna Venkatesh 说，HCL Technologies 是一家全球技术公司，为多个行业的公司提供端到端服务，包括模拟和产品测试。“在将这些管道部署在现实条件下之前，需要对它们进行结构分析和验证。海底环境很复杂，因此我们需要测试这些管道在各种海底条件下将如何运行。

例如，海床可能由柔软的沙子、粘土或泥浆组成，这些材料具有截然不同的特性，会极大地影响管道性能。“我们需要了解土壤与管道的相互作用，包括泥浆或粘土的刚度如何影响应力分布或潜在的失效，”Venkatesh 说。“这对于评估结构完整性、疲劳行为、整体耐久性和使用寿命至关重要。这些管道在高压和变化的温度下运行，因此了解最小的物理相互作用可以防止出现重大问题。

物理测试这些交互将是困难的、昂贵的，而且非常耗时。这就是为什么 HCL 依靠 SIMULIA Abaqus（达索系统的数字仿真软件）来创建可在无限数量场景中进行测试的高精度管道模型。

“SIMULIA 是 CAE 工具中非线性仿真中的佼佼者，”Venkatesh 说。“它帮助我们按时交付高质量的结果，即使是最具挑战性的项目也是如此。此外，它还提供了至少 99.9% 的准确率，这对我们的工作至关重要。

HCL 首先模拟安装过程。利用 SIMULIA Abaqus 提供的有限元分析 （FEA） 功能，它可以复制管道在海床上的铺设方式。“我们首先输入有关管道的尺寸数据，以及土壤刚度参数和荷载数据，以便我们可以准确地对环境进行建模，”Venkatesh 说。“管道最初由弹簧元件支撑，后来将其移除以允许与海床自然接触。如果管道铺设不当，可能会卡住或移位。这可能会导致不稳定引起的问题。

一个常见的问题是横向屈曲——当管道由于热膨胀或内部压力而侧向移动时——这可能导致结构故障。不稳定还可能引发过度振动，导致泄漏或疲劳，从而使管道的使用寿命（通常超过十年）缩短三年或更长时间。自由跨度（不受海床支撑的管道部分）会扰乱流体流动并导致压力或应力问题。同时，涂层不当或恶劣环境暴露会导致腐蚀和材料降解。所有这些潜在问题都在模拟中得到考虑。

残余张力（管道安装在海床后剩余的张力）也在模拟中被捕获。然后，HCL 模拟流体流动等真实条件，并逐渐增加静水压力、浮力、关闭压力和温度的负载。“所有这些参数都包括在内，以分析管道在运行负载下的行为，”Venkatesh 说。“我们评估中心线载荷、横向稳定性、底部粗糙度和位移，尤其是在开放间隙或接触穿透应力等关键区域。我们审查轴向张力和位移等输出，以确保模拟的准确性。

这种类型的模拟项目可能需要一周多的时间。然而，HCL 已经能够自动化许多关键流程，因此可以在短短五分钟内生成结果。

“我们创建了一个门户，客户可以在其中输入管道尺寸、壁厚或材料特性等变量，”Venkatesh 说。“参数是预定义的，模拟会自动运行。根据步骤数，完整运行可能需要 15 到 20 分钟，但最快可达 5 分钟——报告会在不久之后生成。这是一个简化的过程，也是我们迈向虚拟孪生方法的第一步。