管网系统仿真软件(PipeDesign)

 管网系统仿真软件PipeDesign是一款集管路布管、几何建模、网格剖分、管道结构力学特性分析、管道水力学特性分析、多尺度耦合分析及流固耦合分析等功能于一体的专业仿真软件平台。软件具备三维可视化人机交互、高效有限元求解、结果规范化评价等典型特征，可实现不同安全等级、不同工质类型、不同复杂度的管路结构的仿真分析。

图1  管网系统仿真软件

一、功能特点

 1. 管网系统仿真软件1D水力特性分析模块可用于管路系统的单相等温分析（包括支管流量、压降、节点压力计算）、单相对流换热仿真计算（包含单相液体对流换热、单相蒸汽对流换热、管外壁与空气换热）、两相仿真分析（包含汽量计算）等。

 2. 管网系统仿真软件3D水力特性分析模块基于有限体积法离散流体力学控制方程，支持网格的导入导出、自动剖分，可实现定常/非定常、层流/湍流等的流场与温度场模拟。

 3. 管网系统仿真软件1D-3D多尺度耦合分析模块可实现一维三维分析模型约束及载荷映射功能，根据管网系统一维分析结果，可自动提取合适的力学参数映射至管网系统三维边界上，实现结构约束及载荷的一维三维传递。

 4. 管网系统仿真软件1D结构特性分析模块可用于管网系统的管路布置及系统的静力、模态及瞬态响应分析，并基于设计规范进行管路系统应力的校核，提供自动报告生成功能。

 5. 管网系统仿真软件3D结构特性分析模块基于有限元方法针对局部管道进行详细分析，可实现网格的导入、自动剖分，实现局部管路的静力、模态及瞬态响应分析。同时模块内嵌流固耦合插值功能，可完成流体域和结构域的数据交换，为结构应力特性分析提供载荷来源。

二、特色优势

 1. 具备多样化的分析结果后处理功能，可实现分析结果变量的曲线、云图、表格等多样化展示和导出，可实现基于ASME-NC规范的分析结果评价及分析报告的快速生成。

 2. 具备丰富的行业常用管件库、接头元件库、阀门和泵的特性曲线参数等，支持一维和三维管道及其附件（包括阀门、弯头、三通等）几何模型的参数化建模功能。

 3. 支持通用CAD几何模型的导入，包含.x_t、.stp、.iges、.ACIS等4种以上格式，支持.neu、.msh等流体网格格式导出。

 4. 具备试验数据导入分析功能。

三、典型案例

  单相等温支管流量求解——在管网系统中，用户根据实际模型进行布管，在给定入口与出口边界条件下，可利用本软件进行节点压力以及支管流量的求解。

图2 管网系统布置界面

图3 管网系统分析结果输出文件

  管网系统瞬态响应分析——管网系统在瞬态条件下，其结构应力载荷随时间变化发出响应，软件基于PCG迭代求解器，进行求解。其分析结果与商业有限元软件MSC. Nastran的计算结果进行对比（选取其中4个时间步的结果），对比如图所示，可见各计算结果基本一致，最大误差为0.15%。

图4 管网系统瞬态响应分析模型

  （a）时间步11（管网系统仿真软件）      （b）时间步11（MSC.Nastran）

 （c）时间步41（管网系统仿真软件）      （d）时间步41（MSC.Nastran）

（e）时间步71（管网系统仿真软件）      （f）时间步71（MSC.Nastran）

（g）时间步91（管网系统仿真软件）     （h）时间步91（MSC.Nastran）

图5 各时间步计算结果对比

图6 节点4的X向位移结果对比

   弯管静力分析——弯管受节点集中力和节点集中力矩作用引起变形问题，管网系统分析软件通过3D结构分析模块求解静力分析，并进行后处理。分析结果与商业有限元软件MSC. Nastran的计算结果进行对比，最大位移计算结果一致。

（a）位移结果云图（管网系统仿真软件）

（b）位移结果云图（MSC.Nastran）

图7 位移结果云图对比

应力结果云图对比如下所示，最大应力计算结果误差为1.52%。

（a）Von-Mises应力结果云图（管网系统仿真软件）

（b）Von-Mises应力结果云图（MSC.Nastran）

图8 Von-Mises应力结果云图对比

任意选取100个节点（如节点301~400），对比其Y向位移计算结果，如下图所示，可见计算结果一致。

图9 节点301~400 Y向位移结果对比

   管网系统模态分析——管网系统运行过程中会承受不同类型的外载荷激励，例如泵、压缩机的振动，以及地震、风载等，结构和系统的振动特性决定了对于其他动力载荷的响应情况。通过管网系统的模态分析，可以对结构的振动特性进行评估。将计算结果与商业有限元软件MSC. Nastran的计算结果进行对比，第7~10阶模态振型对比如图10所示（其中，管网系统仿真软件缩放因子设为60），可见各阶振型计算结果一致，最大位移计算误差不超过0.25%。

（a）第7阶模态（压力管道软件）        （b）第7阶模态（MSC.Nastran）

（c）第8阶模态（压力管道软件）       （d）第8阶模态（MSC.Nastran）

（e）第9阶模态（压力管道软件）       （f）第9阶模态（MSC.Nastran）

图10 模态分析各阶振型计算结果对比

任意选取一阶固有频率（如第7阶固有频率），对比任意节点（如节点5201~5300）的Y向位移计算结果，如下图所示，可见计算结果一致。

图11 第7阶模态节点5201~5300 Y向位移结果对比

五、行业客户

        船舶：中国船舶719研究所