长输管道三维模型的建立方法及装置

摘要

本公开提供了一种长输管道三维模型的建立方法及装置，属于长输管道技术领域。所述方法包括：获取长输管道的三维建模数据，所述三维建模数据是用于创建管道三维模型的管段单元的数据，所述三维建模数据包括模型节点坐标，所述模型节点坐标包括管道起点坐标、中间节点坐标和管道终点坐标，所述管道三维模型由若干所述管段单元组成，所述中间节点位于所述管段单元上且位于相邻管段单元的连接处；基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，所述模型建立文件包括若干适用于目标建模软件的建模命令，所述建模命令用于按照所述模型节点坐标创建所述管段单元；调用所述目标模型软件执行所述模型建立文件中的建模命令，生成长输管道三维模型。

权利要求

1.一种长输管道三维模型的建立方法，其特征在于，所述建立方法包括：获取长输管道的三维建模数据，所述三维建模数据是用于创建管道三维模型的管段单元的数据，所述三维建模数据包括模型节点坐标，所述模型节点坐标包括管道起点坐标、中间节点坐标、管道终点坐标和管段之间连接处的土弹簧参数，所述管道三维模型由若干所述管段单元组成，所述中间节点位于所述管段单元上且位于相邻管段单元的连接处，所述土弹簧用于表征管段安装处的土壤特性；

基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，所述模型建立文件包括若干适用于目标模型软件的建模命令，所述建模命令用于按照所述模型节点坐标创建所述管段单元；

调用所述目标模型软件执行所述模型建立文件中的建模命令，生成长输管道三维模型；

其中，所述获取长输管道的三维建模数据，包括：

获取管道检测数据，所述管道检测数据包括管段编号、管段的长度、上下弯头角度和左右弯头角度，所述上下弯头角度指管段在竖直方向的弯折角度，所述左右弯头角度指管段在水平方向的弯折角度以及各个管段的管道埋深；

按照如下公式计算所述中间节点坐标和所述管道终点坐标，

i为模型节点的序号，i的取值范围为1～n‑1，n为模型节点的总数，x为模型节点的x轴坐标，y为模型节点的y轴坐标，z为模型节点的z轴坐标，Li为第i个管段的长度，当βi＝0且αi＝0时，αi'+1＝αi'，βi'+1＝βi'，当βi＝0且αi不为0时，αi'+1＝αi+1+αi'+αi，βi'+1＝βi＝0，当αi＝0且βi不为0时，αi'+1＝αi＝0，βi'+1＝βi+1+βi'+βi，αi为第i个管段的上下弯头角度，βi为第i个管段的左右弯头角度；

基于所述各个管段的管道埋深，计算管段之间连接处的土弹簧参数。

2.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，包括：基于所述模型节点坐标，生成第一建模命令，所述第一建模命令用于指示所述目标模型软件创建管段单元。

3.根据权利要求2所述的建立方法，其特征在于，所述基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，还包括：基于所述管段之间连接处的土弹簧参数，生成第二建模命令，所述第二建模命令用于指示所述目标模型软件向中间节点施加土弹簧约束。

4.根据权利要求3所述的建立方法，其特征在于，所述三维建模数据还包括管道基础数据，所述管道基础数据包括设计压力、施工温度和运行温度，所述基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，还包括：基于所述设计压力、所述施工温度和所述运行温度，生成第三建模命令，所述第三建模命令用于指示所述目标模型软件向管段单元施加压力载荷和温度载荷。

5.根据权利要求1所述的建立方法，其特征在于，所述模型建立文件还包括模型软件的结构动静力学分析命令，所述结构动静力学分析命令用于指示所述目标模型软件对生成的长输管道三维模型进行结构动静力学分析；

所述方法还包括：

调用所述目标模型软件执行所述模型建立文件中的结构动静力学分析命令，生成长输管道三维模型的结构动静力学分析结果。

6.一种长输管道三维模型的建立装置，其特征在于，所述建立装置包括：获取模块，用于获取长输管道的三维建模数据，所述三维建模数据是用于创建管道三维模型的管段单元的数据，所述三维建模数据包括模型节点坐标，所述模型节点坐标包括管道起点坐标、中间节点坐标、管道终点坐标和管段之间连接处的土弹簧参数，所述管道三维模型由若干所述管段单元组成，所述中间节点位于所述管段单元上且位于相邻管段单元的连接处，所述土弹簧用于表征管段安装处的土壤特性；

生成模块，用于基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，所述模型建立文件包括若干适用于目标建模软件的建模命令，所述建模命令用于按照所述模型节点坐标创建所述管段单元；

调用模块，用于调用所述目标模型软件执行所述模型建立文件中的建模命令，生成长输管道三维模型；

其中，所述获取长输管道的三维建模数据包括：

获取管道检测数据，所述管道检测数据包括管段编号、管段的长度、上下弯头角度和左右弯头角度，所述上下弯头角度指管段在竖直方向的弯折角度，所述左右弯头角度指管段在水平方向的弯折角度以及各个管段的管道埋深；

按照如下公式计算所述中间节点坐标和所述管道终点坐标，

i为模型节点的序号，i的取值范围为1～n‑1，n为模型节点的总数，x为模型节点的x轴坐标，y为模型节点的y轴坐标，z为模型节点的z轴坐标，Li为第i个管段的长度，当βi＝0且αi＝0时，αi'+1＝αi'，βi'+1＝βi'，当βi＝0且αi不为0时，αi'+1＝αi+1+αi'+αi，βi'+1＝βi＝0，当αi＝0且βi不为0时，αi'+1＝αi＝0，βi'+1＝βi+1+βi'+βi，αi为第i个管段的上下弯头角度，βi为第i个管段的左右弯头角度；

基于所述各个管段的管道埋深，计算管段之间连接处的土弹簧参数。

7.一种长输管道三维模型的建立装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器被配置为执行所述计算机程序时实现如权利要求1‑5任一项所述的长输管道三维模型的建立方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1‑5任一项所述的长输管道三维模型的建立方法。

说明书

长输管道三维模型的建立方法及装置

技术领域

[0001] 本公开涉及长输管道技术领域，特别涉及一种长输管道三维模型的建立方法及装置。

背景技术

[0002] 长输管道(长输油气管道)指产地、储存库、使用单位间的用于输送商品介质的管道。由于长输管道敷设环境复杂，在长期运行过程中不可避免地会承受各种载荷，如土壤载荷、温度载荷、压力载荷等，在这些载荷作用下管道应力状态发生变化，一旦管道所受应力超出管材强度，管道将面临断裂失效的风险，致使传输的介质泄漏。

[0003] 为提高长输管道的安全，需及时识别应力值较高的管段位置，从而有针对性地实施安全管控措施，防止管道断裂失效。一般是通过长输管道三维建模进行仿真分析，实现对长输管道全线的应力应变数值模拟，从而获取管道应力分布状态。相关技术中，长输管道三维模型是采用有限元分析软件(如ANSYS)建立，建立方法包括：首先，按照各个管段的连接顺序，建立实体模型，其次，对实体模型进行网格划分，将实体模型分为多个单元；然后，向各个单元分别施加载荷，得到最终的三维模型。

[0004] 相关技术中长输管道三维模型的建立方式为人工逐个管段的重复性建模，由于埋地长输管道距离长、野外敷设环境复杂，三维建模过程中需要创建的单元数量多，人工建模存在如下缺陷：(1)管道三维建模工作量大，建模周期长；(2)重复性工作比重大，耗时耗力。

发明内容

[0005] 本公开实施例提供了一种长输管道三维模型的建立方法及装置，能够简化建模过程中的重复性工作，缩短建模周期，节省人力和时间，提高建模效率。

[0006] 所述技术方案如下：

[0007] 第一方面，提供了一种长输管道三维模型的建立方法，所述建立方法包括：

[0008] 获取长输管道的三维建模数据，所述三维建模数据是用于创建管道三维模型的管段单元的数据，所述三维建模数据包括模型节点坐标，所述模型节点坐标包括管道起点坐标、中间节点坐标和管道终点坐标，所述管道三维模型由若干所述管段单元组成，所述中间节点位于所述管段单元上且位于相邻管段单元的连接处；

[0009] 基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，所述模型建立文件包括若干适用于目标建模软件的建模命令，所述建模命令用于按照所述模型节点坐标创建所述管段单元；

[0010] 调用所述目标模型软件执行所述模型建立文件中的建模命令，生成长输管道三维模型。

[0011] 可选地，所述获取长输管道的三维建模数据，包括：

[0012] 获取管道检测数据，所述管道检测数据包括管段编号、管段的长度、上下弯头角度和左右弯头角度，所述上下弯头角度指管段在竖直方向的弯折角度，所述左右弯头角度指管段在水平方向的弯折角度；

[0013] 基于所述管道检测数据和所述管道起点坐标，计算所述中间节点坐标和所述管道终点坐标。

[0014] 可选地，所述基于所述管道检测数据和所述管道起点坐标，计算所述中间节点坐标和所述管道终点坐标，包括：

[0015] 按照如下公式计算所述中间节点坐标和所述管道终点坐标，

[0016]

[0017] i为模型节点的序号，i的取值范围为1～n‑1，n为模型节点的总数，

[0018] x为模型节点的x轴坐标，y为模型节点的y轴坐标，z为模型节点的z轴坐标，Li为第i个管段的长度，

[0019] 当βi＝0且αi＝0时，α'i+1＝α'i，β'i+1＝β'i，

[0020] 当βi＝0且αi不为0时，α'i+1＝αi+1+α'i+αi，β'i+1＝βi＝0，[0021] 当αi＝0且βi不为0时，α'i+1＝αi＝0，β'i+1＝βi+1+β'i+βi，[0022] αi为第i个管段的上下弯头角度，βi为第i个管段的左右弯头角度。

[0023] 可选地，所述三维建模数据还包括管段之间连接处的土弹簧参数，所述土弹簧用于表征管段安装处的土壤特性；

[0024] 所述管道检测数据还包括各个管段的管道埋深；

[0025] 所述获取长输管道的三维建模数据，还包括：

[0026] 基于所述各个管段的管道埋深，计算管段之间连接处的土弹簧参数。

[0027] 可选地，所述基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，包括：

[0028] 基于所述模型节点坐标，生成第一建模命令，所述第一建模命令用于指示所述目标模型软件创建管段单元。

[0029] 可选地，所述基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，还包括：

[0030] 基于所述管段之间连接处的土弹簧参数，生成第二建模命令，所述第二建模命令用于指示所述目标模型软件向中间节点施加土弹簧约束。

[0031] 可选地，所述三维建模数据还包括管道基础数据，所述管道基础数据包括设计压力、施工温度和运行温度，

[0032] 所述基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，还包括：

[0033] 基于所述设计压力、所述施工温度和所述运行温度，生成第三建模命令，所述第三建模命令用于指示所述目标模型软件向管段单元施加压力载荷和温度载荷。

[0034] 可选地，所述模型建立文件还包括模型软件的结构动静力学分析命令，所述结构动静力学分析命令用于指示所述目标模型软件对生成的长输管道三维模型进行结构动静力学分析；

[0035] 所述方法还包括：

[0036] 调用所述目标模型软件执行所述模型建立文件中的结构动静力学分析命令，生成长输管道三维模型的结构动静力学分析结果。

[0037] 第二方面，提供了一种长输管道三维模型的建立装置，所述建立装置包括：

[0038] 获取模块，用于获取长输管道的三维建模数据，所述三维建模数据是用于创建管道三维模型的管段单元的数据，所述三维建模数据包括模型节点坐标，所述模型节点坐标包括管道起点坐标、中间节点坐标和管道终点坐标，所述管道三维模型由若干所述管段单元组成，所述中间节点位于所述管段单元上且位于相邻管段单元的连接处；

[0039] 生成模块，用于基于所述长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，所述模型建立文件包括若干适用于目标建模软件的建模命令，所述建模命令用于按照所述模型节点坐标创建所述管段单元；

[0040] 调用模块，用于调用所述目标模型软件执行所述模型建立文件中的建模命令，生成长输管道三维模型。

[0041] 第三方面，提供了一种长输管道三维模型的建立装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器被配置为执行所述计算机程序时实现前述长输管道三维模型的建立方法。

[0042] 第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现前述长输管道三维模型的建立方法。

[0043] 本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

[0044] 通过获取长输管道的三维建模数据，基于长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，调用目标模型软件执行模型建立文件中的建模命令；由于模型建立文件包括若干适用于目标模型软件的建模命令，建模命令用于按照三维建模数据包括的模型节点坐标创建所述管段单元，目标模型软件运行模型建立文件之后，将生成长输管道三维模型；该模型建立文件能够根据计算机应用程序语言自动生成，生成模型的时间较快，相比于人工建模过程，能够简化建模过程中的重复性工作，缩短建模周期，节省人力和时间，提高建模效率。

附图说明

[0045] 为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0046] 图1是本公开实施例提供的一种长输管道三维模型的建立方法的流程图；

[0047] 图2是本公开实施例提供的一种长输管道三维模型的建立方法的流程图；

[0048] 图3是本公开实施例提供的土弹簧约束的示意图；

[0049] 图4是本公开实施例提供的长输管道三维模型的示意图；

[0050] 图5是本公开实施例提供的一种长输管道三维模型的建立装置的结构框图；

[0051] 图6是本公开实施例提供的一种长输管道三维模型的建立装置的结构框图。

具体实施方式

[0052] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

[0053] 为便于理解本实施例提供的技术方案，首先介绍一下长输管道。

[0054] 长输管道是由大量的管段顺次焊接而成。管段包括直管段和弯管段。相对于直管段，弯管段有一定的弯折角度。弯管段可以在竖直方向弯折，也可以在水平方向弯折，还可以在竖直方向和在水平方向均弯折。竖直方向的弯折用于改变管道的埋深，水平方向的弯折用于改变管道的铺设方向。

[0055] 本实施例涉及的名词的解释如下。

[0056] 上下弯头角度：指管段在竖直方向的弯折角度。直管段的上下弯头角度为0。

[0057] 左右弯头角度：指管段在水平方向的弯折角度。直管段的左右弯头角度为0。

[0058] 管段单元：指虚拟管段。

[0059] 图1是本公开实施例提供的一种长输管道三维模型的建立方法的流程图，参见图1，该方法流程包括如下步骤。

[0060] 步骤101、获取长输管道的三维建模数据。

[0061] 三维建模数据是用于创建管道三维模型的管段单元的数据。三维建模数据包括模型节点坐标，模型节点坐标包括管道起点坐标、中间节点坐标和管道终点坐标，管道三维模型由若干管段单元组成，中间节点位于管段单元上且位于相邻管段单元的连接处。

[0062] 步骤102、基于长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件。

[0063] 模型建立文件包括若干适用于目标建模软件的建模命令，建模命令用于按照模型节点坐标创建管段单元。

[0064] 步骤103、调用目标模型软件执行模型建立文件中的建模命令，生成长输管道三维模型。

[0065] 在本公开实施例中，通过获取长输管道的三维建模数据，基于长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，调用目标模型软件执行模型建立文件中的建模命令；由于模型建立文件包括若干适用于目标模型软件的建模命令，建模命令用于按照三维建模数据包括的模型节点坐标创建管段单元，目标模型软件运行模型建立文件之后，将生成长输管道三维模型；该模型建立文件能够根据计算机应用程序语言自动生成，生成模型的时间较快，相比于人工建模过程，能够简化建模过程中的重复性工作，缩短建模周期，节省人力和时间，提高建模效率。

[0066] 此外，在人工建模过程中，需要将土弹簧准确施加至对应的中间节点处，如若出现位置调整等细节修改则可能导致整个模型重建；采用模型建立文件建立模型时，若需要调整土弹簧的位置(调整模型节点的位置)，则调整三维建模数据(如增加模型节点的坐标)，重新生成模型建立文件即可，生成模型建立文件的时间较快，避免人工重建整个模型耗时太长。

[0067] 图2是本公开实施例提供的一种长输管道三维模型的建立方法的流程图，参见图2，该方法流程包括如下步骤。

[0068] 步骤201、获取管道基础数据。

[0069] 如表1所示，管道基础数据包括设计压力、施工温度和运行温度。可选地，管道基础数据还包括管道材质和管道规格。管道规格包括管道外径和管道壁厚。

[0070] 表1

[0071]符号 字段类型 单位 说明
D Length mm 管道外径
t Length mm 管道壁厚
— String — 管道材质
P Length Mpa 设计压力
T0 Length ℃ 施工温度
T1 Length ℃ 运行温度

[0072] 长输管道各个管段的管道基础数据一般相同。在应用中，可以在生成三维模型时，由用户将管道基础数据输入到计算机中，计算机获取输入的管道基础数据。

[0073] 步骤202、获取管道检测数据。

[0074] 管道检测数据是通过检测实际铺设的长输管道得到。表2示出了管道检测数据，参见表2，管道检测数据包括管段编号、管段的长度、上下弯头角度和左右弯头角度。

[0075] 可选地，管道检测数据还包括各个管段的管道埋深。

[0076] 表2

[0077]符号 字段类型 单位 说明
B Length — 管段编号
L Length m 管段的长度
α Angle ° 上下弯头角度
β Angle ° 左右弯头角度
H Length m 管道埋深

[0078] 步骤203、基于管道检测数据和管道起点坐标，计算中间节点坐标和管道终点坐标。

[0079] 本实施例的坐标系为直角坐标系，以管道起点为零点，第一个管段(为直管段)的管道轴向方向(与水平方向和竖直方向均不重叠)为x轴，竖直方向为y轴，水平方向为z轴。

[0080] 模型节点坐标符号如表3所示。

[0081] 表3

[0082]符号 字段类型 说明
xi Length 模型节点i的x轴坐标值
yi Length 模型节点i的y轴坐标值
zi Length 模型节点i的z轴坐标值

[0083] i为模型节点的序号，i的取值范围为1～n‑1，n为模型节点的总数，

[0084] x为模型节点的x轴坐标，y为模型节点的y轴坐标，z为模型节点的z轴坐标。

[0085] 管道起点坐标可以是用户指定，也可以是计算机自动生成。可选地，计算机自动生成管道起点坐标，例如，管道起点坐标为(0,0,0)。中间节点坐标和管道终点坐标能够按照节点序号的排列顺序依次求解，模型节点坐标矩阵如式子(1)所示。

[0086]

[0087] (x1,y1,z1)为管道起点的坐标，其值设定为(0,0,0)。(x2,y2,z2)‑(xn‑1,yn‑1,zn‑1)为中间节点的坐标，(xn,yn,zn)为管道终点的坐标。

[0088] 中间节点坐标和管道终点坐标是基于该直角坐标系解算，本实施例中，弯管段分两种，一种在竖直方向弯折，另一种在水平方向弯折；并且，管道起点的坐标为(x1,y1,z1)为(0,0,0)，第一个管段为直管段，β1＝0且α1＝0。基于此，中间节点坐标和管道终点坐标的计算公式如式子(2)所示。

[0089]

[0090] i为模型节点的序号，i的取值范围为1～n‑1，n为模型节点的总数，

[0091] x为模型节点的x轴坐标，y为模型节点的y轴坐标，z为模型节点的z轴坐标，Li为第i个管段的长度。

[0092] 当βi＝0且αi＝0时，α'i+1＝α'i，β'i+1＝β'i。

[0093] 当βi＝0且αi不为0时，α'i+1＝αi+1+α'i+αi，β'i+1＝βi＝0。

[0094] 当αi＝0且βi不为0时，α'i+1＝αi＝0，β'i+1＝βi+1+β'i+βi。

[0095] αi为第i个管段的上下弯头角度，上弯为正，下弯为负；βi为第i个管段的左右弯头角度，右弯为正，左弯为负。

[0096] 步骤204、基于各个管段的管道埋深，计算管段之间连接处的土弹簧参数。

[0097] 由于长输管道的敷设方式以埋地为主，在三维模型的建立过程中将考虑长输管道的管土约束。在有限元分析软件中，管道的管土约束作用以土弹簧表征，土弹簧用于表征管段安装处的土壤特性。

[0098] 参见表4，土弹簧参数包括管轴(管道轴向)方向、水平方向、竖直向上和竖直向下四个方向的土弹簧刚度。

[0099] 表4

[0100]

[0101]

[0102] 下面介绍一下土弹簧参数的计算方式。

[0103] 管轴方向土弹簧刚度能够采用式(3)计算。

[0104]

[0105] Ka——管轴方向土弹簧刚度；

[0106] fu——沿管轴方向管土之间的滑动摩擦力(N)；

[0107] Xu——管轴方向土弹簧的屈服位移。

[0108] 有以下计算公式计算fu：

[0109] fu＝fs·DL                            (4)

[0110] fs＝μ(2W+Wp)                         (5)

[0111] W＝ρsDHg                           (6)

[0112]

[0113] fs——沿管轴方向土壤与管道外表面之间单位长度上的摩擦力(N/m)；DL——土弹簧间距(可等于管段的长度L)(m)；

[0114] W——管道上表面至地面之间的土壤单位长度上的重力(N/m)；

[0115] Wp——管道与内部介质的自重(N/m)；

[0116] μ——土壤与管道外表面之间的摩擦系数；

[0117] ρs——回填土的密度(kg/m3)；

[0118] D——管道外径(m)；

[0119] H——管道埋深(轴线至管沟上表面之间的埋深)(m)；

[0120] g——重力加速度(m/s2)；

[0121] t——管道壁厚(m)；

[0122] ρm——管道材料的密度(kg/m3)；

[0123] ρ——输送介质的密度(kg/m3)。

[0124] 水平方向土弹簧刚度能够采用式(8)计算。

[0125]

[0126] KH——水平方向土弹簧刚度；

[0127] Pu——土壤沿水平横向对管道的压力(N)；

[0128] Zu——水平方向土弹簧的屈服位移。

[0129] 有以下公式计算Pu：

[0130] Pu＝(NchcD+NqhρslgHD)DL                       (9)

[0131] Xu＝0.04(H+D/2)                         (10)

[0132]

[0133] Nqh＝C0+C1(H/D)+C2(H/D)2+C3(H/D)3+C4(H/D)4       (12)

[0134] Nch——水平横向考虑土体粘聚力的计算参数，且Nch≤9；c＝0时，Nch＝0；

[0135] c——土的粘聚力(kPa)；

[0136] H——管道埋深(轴线至管沟上表面之间的埋深)(m)；

[0137] D——管道外径(m)；

[0138] DL——土弹簧间距(m)；

[0139] Nqh——水平横向与土体内摩擦角有关的计算参数。

[0140] φ——土体内摩擦角(°)；φ＝0°时，Nqh＝0；系数C0～C4依据φ的值，按照表5取值；

[0141] ρsl——管道周围场地土的密度(kg/m3)。

[0142] 表5

[0143] φ C0 C1 C2 C3 C420° 2.399 0.439 ‑0.030 0.001059 ‑0.0000175
25° 3.332 0.839 ‑0.090 0.005606 ‑0.0001319
30° 4.565 1.234 ‑0.089 0.004275 ‑0.0000916
35° 6.816 2.019 ‑0.146 0.007651 ‑0.0001683
40° 10.959 1.783 0.045 ‑0.005425 ‑0.0001153
45° 17.658 3.309 0.048 ‑0.006443 ‑0.0001299

[0144] 需要说明的是，表5仅示出了部分角度的内摩擦角的系数值，可以采用插值方法得到其他内摩擦角的系数值。

[0145] 垂直向上土弹簧刚度能够采用式(13)计算。

[0146] KVu＝qu/Yu                                  (13)

[0147] qu＝(NcvucD+NqvuρslgHD)DL                  (14)

[0148] qu——垂直向上土对管道的压力(N)；

[0149] Yu——垂直向上土弹簧的屈服位移(m)；

[0150] c——土的粘聚力(kPa)；

[0151] H——管道埋深(轴线至管沟上表面之间的埋深)(m)；

[0152] D——管道外径(m)；

[0153] DL——土弹簧间距(m)；

[0154] ρsl——管道周围场地土的密度(kg/m3)；

[0155] g——重力加速度(m/s2)；

[0156] Ncvu——垂直向上考虑土体粘聚力的计算参数，Ncvu≤10；

[0157] Nqvu——垂直向上与土体内摩擦角有关的计算参数，Nqvu≤Nqh。

[0158] 假若在垂直向上方向上，管土是从密砂到松砂，则采用式(15)计算垂直向上土弹簧的屈服位移Yu：

[0159] Yu＝(0.01～0.02)H                      (15)

[0160] 假若在垂直向上方向上，管土是从硬黏土到软黏土，则采用式(16)计算垂直向上土弹簧的屈服位移Yu：

[0161] Yu＝(0.1～0.2)H                      (16)

[0162] Ncvu＝2(H/D)                      (17)

[0163] Nqvu＝(φ/44)(H/D)                    (18)

[0164] φ——土体内摩擦角(°)。

[0165] 垂直向下土弹簧刚度能够采用式(19)计算

[0166] KVd＝qul/Yul                        (19)

[0167] qul＝(NcvdcD+NqvdρslgHD+NrρslgD2/2)DL            (20)

[0168] 当管土为砂土时，采用式(21)计算Yul：

[0169] Yul＝0.1D                      (21)

[0170] 当管土为粘土时，采用式(22)计算Yul：

[0171] Yul＝0.2D                      (22)

[0172]

[0173]

[0174] Nr＝e0.18φ‑2.5                         (25)

[0175] qul——垂直向下土对管道的压力(N)；

[0176] Yul——垂直向下土弹簧的屈服位移(m)；

[0177] Ncvd——垂直向下土弹簧的第一计算参数；

[0178] c——土的粘聚力(kPa)；

[0179] H——管道埋深(轴线至管沟上表面之间的埋深)(m)；

[0180] D——管道外径(m)；

[0181] DL——土弹簧间距(m)；

[0182] ρsl——管道周围场地土的密度(kg/m3)；

[0183] g——重力加速度(m/s2)；

[0184] φ——土体内摩擦角(°)；

[0185] e——自然底数；

[0186] Nqvd——垂直向下土弹簧的第二计算参数；

[0187] Nr——垂直向下土弹簧的第三计算参数。

[0188] 通过步骤201‑204实现了长输管道的三维建模数据的获取，三维建模数据包括模型节点坐标、管段之间连接处的土弹簧参数和管道基础数据。

[0189] 步骤205、基于长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件。

[0190] 模型建立文件包括若干适用于目标建模软件的建模命令，建模命令用于按照模型节点坐标创建管段单元。

[0191] 建模命令是操作码与操作数组合的表达式，操作码指计算机程序中所规定的要执行操作的那一部分指令或字段(通常用代码表示)，即指令序列号，用来告诉CPU(Central Processing Unit，中央处理器)需要执行哪一条指令。例如，当目标模型软件为ANSYS时，操作码能够是APDL(ANSYS Parametric Design Language，ANSYS参数化设计语言)指令。操作数是操作码作用于的实体，是表达式中的一个组成部分，它规定了指令中进行数字运算的量。

[0192] 可选地，步骤205包括如下步骤。

[0193] 步骤a、基于管道规格，生成第一建模指令，第一建模指令用于定义管道规格。

[0194] 其中建模指令与建模命令类似，是操作码与操作数组合的表达式。

[0195] 第一建模指令的操作码能够是PSPEC，操作数是管道外径D与管道壁厚t。

[0196] 步骤b、基于管道材质，生成第二建模指令，第二建模指令用于定义管道材质的属性。

[0197] 管道材质的属性包括密度、杨氏模量、泊松比、热属性。

[0198] 例如，管道材质为X70管线钢，管道材料的密度设定为7850kg/m3，杨氏模量设定为11 ‑5
2.06×10 Pa，泊松比设定为0.3，热属性设定为1.17×10 。

[0199] 第二建模指令的操作码能够是MPDATA，操作数是管道材质的属性。

[0200] 步骤c、基于模型节点坐标，生成第一建模命令，第一建模命令用于指示目标模型软件创建管段单元。

[0201] 管段单元指虚拟管段。管段单元包括直管段单元(虚拟直管段)和弯管段单元(虚拟弯管段)。

[0202] ANSYS提供多种管段单元(如PIPE16单元和PIPE18单元)用于模拟实体管段。可选地，在建模时，选择直管段单元为PIPE16单元，选择弯管段单元为PIPE18单元。

[0203] 确定直管段单元位置的方式为：相邻的两个模型节点有两个轴的坐标相同；确定弯管段单元位置的方式为：相邻的两个模型节点只有一个轴的坐标相同。

[0204] 针对直管段单元，第一建模命令的操作码是run，操作数是PIPE16和直管段两端的模型节点坐标，针对直管段单元，第一建模命令的操作码为bend，操作数是PIPE18和弯管段两端的模型节点坐标。

[0205] 步骤d、基于管段之间连接处的土弹簧参数，生成第二建模命令，第二建模命令用于指示目标模型软件向中间节点施加土弹簧约束。

[0206] 在建模时，土弹簧选用combin14单元(一个刚度方向对应一个土弹簧)，第二建模命令的操作码是psprng，操作数是combin14和中间节点坐标。

[0207] 图3是本公开实施例提供的土弹簧约束的示意图。参见图3，四个土弹簧刚度方向各设置一个土弹簧。每一个中间节点处设置四个土弹簧，图3示出了两个节点的土弹簧设置方式。

[0208] 步骤e、生成第三建模指令，第三建模指令用于指示目标模型软件对管道起点和管道终点施加边界条件。

[0209] 管道起点坐标为(0,0,0)，管道终点坐标可以基于最后一个管段的上下弯头角度、左右弯头角度和长度计算得到。

[0210] 可选地，第三建模指令的操作码是全约束指令，操作数为管道起点坐标和管道终点坐标，以分别对管道起点和管道终点施加全约束。

[0211] 步骤f、基于设计压力、施工温度和运行温度，生成第三建模命令，第三建模命令用于指示目标模型软件向管段单元施加压力载荷和温度载荷。

[0212] 温度载荷为施工温度和运行温度之差。例如，管道压力载荷为14MPa、温度载荷为40℃。

[0213] 针对压力载荷，第三建模命令的操作码为PPRES，操作数为压力载荷和相应管段单元的序号；针对温度载荷，第三建模命令的操作码为PTEMP，操作数为温度载荷和相应管段单元的序号。

[0214] 可选地，模型建立文件还包括模型软件的结构动静力学分析命令，结构动静力学分析命令用于指示目标模型软件对生成的长输管道三维模型进行结构动静力学分析。本步骤205还可以包括步骤g。

[0215] 步骤g、生成结构动静力学分析命令。

[0216] 步骤206、调用目标模型软件执行模型建立文件，生成长输管道三维模型。

[0217] 目标模型软件为ANSYS。

[0218] 可选地，基于模型建立文件还包括模型软件的结构动静力学分析命令，步骤206还包括：调用目标模型软件执行模型建立文件中的结构动静力学分析命令，生成长输管道三维模型的结构动静力学分析结果。

[0219] 根据长输管道三维模型的结构动静力学分析结果，能够实现对长输管道全线的应力应变数值模拟，从而获取管道应力分布状态，及时识别应力值较高的管段位置，从而有针对性地实施安全管控措施，降低管道失效风险。

[0220] 图4是本公开实施例提供的长输管道三维模型的示意图。参见图4，黑色加粗管段为显示了土弹簧模拟土壤作用的示意(包括起点处的一段)，细管段为未显示土弹簧模拟土壤作用的示意。

[0221] 在本公开实施例中，通过获取长输管道的三维建模数据，基于长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，调用目标模型软件执行模型建立文件中的建模命令；由于模型建立文件包括若干适用于目标模型软件的建模命令，建模命令用于按照三维建模数据包括的模型节点坐标创建管段单元，目标模型软件运行模型建立文件之后，将生成长输管道三维模型；该模型建立文件能够根据计算机应用程序语言自动生成，生成模型的时间较快，相比于人工建模过程，能够简化建模过程中的重复性工作，缩短建模周期，节省人力和时间，提高建模效率。

[0222] 此外，在人工建模过程中，需要将土弹簧准确施加至对应的中间节点处，如若出现位置调整等细节修改则可能导致整个模型重建；采用模型建立文件建立模型时，若需要调整土弹簧的位置(调整模型节点的位置)，则调整三维建模数据(如增加模型节点的坐标)，重新生成模型建立文件即可，生成模型建立文件的时间较快，避免人工重建整个模型耗时太长。

[0223] 图5是本公开实施例提供的一种长输管道三维模型的建立装置的结构框图，参见图5，该建立装置包括：获取模块501、生成模块502和调用模块503。

[0224] 获取模块501，用于获取长输管道的三维建模数据，三维建模数据是用于创建管道三维模型的管段单元的数据，三维建模数据包括模型节点坐标，模型节点坐标包括管道起点坐标、中间节点坐标和管道终点坐标，管道三维模型由若干管段单元组成，中间节点位于管段单元上且位于相邻管段单元的连接处。

[0225] 生成模块502，用于基于长输管道的三维建模数据，生成模型建立文件，模型建立文件包括若干适用于目标建模软件的建模命令，建模命令用于按照模型节点坐标创建管段单元。

[0226] 调用模块503，用于调用目标模型软件执行模型建立文件中的建模命令，生成长输管道三维模型。

[0227] 可选地，获取模块501用于，获取管道检测数据，管道检测数据包括管段编号、管段的长度、上下弯头角度和左右弯头角度，上下弯头角度指管段在竖直方向的弯折角度，左右弯头角度指管段在水平方向的弯折角度；基于管道检测数据和管道起点坐标，计算中间节点坐标和管道终点坐标。

[0228] 可选地，获取模块501用于，按照式(2)计算中间节点坐标和管道终点坐标。

[0229] 可选地，三维建模数据还包括管段之间连接处的土弹簧参数，土弹簧用于表征管段安装处的土壤特性；管道检测数据还包括各个管段的管道埋深；获取模块501还用于，基于各个管段的管道埋深，计算管段之间连接处的土弹簧参数。

[0230] 可选地，生成模块502用于，基于模型节点坐标，生成第一建模命令，第一建模命令用于指示目标模型软件创建管段单元。

[0231] 可选地，生成模块502用于，基于管段之间连接处的土弹簧参数，生成第二建模命令，第二建模命令用于指示目标模型软件向中间节点施加土弹簧约束。

[0232] 可选地，三维建模数据还包括管道基础数据，管道基础数据包括设计压力、施工温度和运行温度。生成模块502用于，基于设计压力、施工温度和运行温度，生成第三建模命令，第三建模命令用于指示目标模型软件向管段单元施加压力载荷和温度载荷。

[0233] 可选地，模型建立文件还包括模型软件的结构动静力学分析命令，结构动静力学分析命令用于指示目标模型软件对生成的长输管道三维模型进行结构动静力学分析，调用模块503还用于，调用目标模型软件执行模型建立文件中的结构动静力学分析命令，生成长输管道三维模型的结构动静力学分析结果。

[0234] 图6是本公开实施例提供的一种长输管道三维模型的建立装置的结构框图，该装置可以是计算机300。

[0235] 计算机300包括中央处理单元(CPU)301、包括随机存取存储器(RAM)302和只读存储器(ROM)303的系统存储器304，以及连接系统存储器304和中央处理单元301的系统总线305。计算机300还包括帮助计算机内的各个器件之间传输信息的基本输入/输出系统(I/O系统)306，和用于存储操作系统313、应用程序314和其他程序模块315的大容量存储设备
307。

[0236] 基本输入/输出系统306包括有用于显示信息的显示器308和用于用户输入信息的诸如鼠标、键盘之类的输入设备309。其中显示器308和输入设备309都通过连接到系统总线305的输入输出控制器310连接到中央处理单元301。基本输入/输出系统306还可以包括输入输出控制器310以用于接收和处理来自键盘、鼠标、或电子触控笔等多个其他设备的输入。类似地，输入输出控制器310还提供输出到显示屏、打印机或其他类型的输出设备。

[0237] 大容量存储设备307通过连接到系统总线305的大容量存储控制器(未示出)连接到中央处理单元301。大容量存储设备307及其相关联的计算机可读介质为计算机300提供非易失性存储。也就是说，大容量存储设备307可以包括诸如硬盘或者CD‑ROM驱动器之类的计算机可读介质(未示出)。

[0238] 不失一般性，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储13介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储其技术，CD‑ROM、DVD或其他光学存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其他磁性存储设备。当然，本领域技术人员可知计算机存储介质不局限于上述几种。上述的系统存储器304和大容量存储设备307可以统称为存储器。

[0239] 根据本发明的各种实施例，计算机300还可以通过诸如因特网等网络连接到网络上的远程计算机运行。也即计算机300可以通过连接在系统总线305上的网络接口单元311连接到网络312，或者说，也可以使用网络接口单元311来连接到其他类型的网络或远程计算机系统(未示出)。

[0240] 上述存储器还包括一个或者一个以上的程序，一个或者一个以上程序存储于存储器中，被配置由CPU执行。所述一个或者一个以上程序包含用于进行本发明实施例提供的长输管道三维模型的建立方法的指令。

[0241] 需要说明的是：上述实施例提供的长输管道三维模型的建立装置在建立长输管道三维模型时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的长输管道三维模型的建立装置与长输管道三维模型的建立方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

[0242] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

[0243] 以上仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。