管網系統仿真軟件(PipeDesign)
管網系統仿真軟件PipeDesign是一款集管路布管、幾何建模、網格剖分、管道結構力學特性分析、管道水力學特性分析、多尺度耦合分析及流固耦合分析等功能于一體的專業仿真軟件平臺。軟件具備三維可視化人機交互、高效有限元求解、結果規范化評價等典型特征，可實現不同安全等級、不同工質類型、不同復雜度的管路結構的仿真分析。
圖1 管網系統仿真軟件
一、功能特點
1. 管網系統仿真軟件1D水力特性分析模塊可用于管路系統的單相等溫分析（包括支管流量、壓降、節點壓力計算）、單相對流換熱仿真計算（包含單相液體對流換熱、單相蒸汽對流換熱、管外壁與空氣換熱）、兩相仿真分析（包含汽量計算）等。
2. 管網系統仿真軟件3D水力特性分析模塊基于有限體積法離散流體力學控制方程，支持網格的導入導出、自動剖分，可實現定常/非定常、層流/湍流等的流場與溫度場模擬。
3. 管網系統仿真軟件1D-3D多尺度耦合分析模塊可實現一維三維分析模型約束及載荷映射功能，根據管網系統一維分析結果，可自動提取合適的力學參數映射至管網系統三維邊界上，實現結構約束及載荷的一維三維傳遞。
4. 管網系統仿真軟件1D結構特性分析模塊可用于管網系統的管路布置及系統的靜力、模態及瞬態響應分析，并基于設計規范進行管路系統應力的校核，提供自動報告生成功能。
5. 管網系統仿真軟件3D結構特性分析模塊基于有限元方法針對局部管道進行詳細分析，可實現網格的導入、自動剖分，實現局部管路的靜力、模態及瞬態響應分析。同時模塊內嵌流固耦合插值功能，可完成流體域和結構域的數據交換，為結構應力特性分析提供載荷來源。
二、特色優勢
1. 具備多樣化的分析結果后處理功能，可實現分析結果變量的曲線、云圖、表格等多樣化展示和導出，可實現基于ASME-NC規范的分析結果評價及分析報告的快速生成。
2. 具備豐富的行業常用管件庫、接頭元件庫、閥門和泵的特性曲線參數等，支持一維和三維管道及其附件（包括閥門、彎頭、三通等）幾何模型的參數化建模功能。
3. 支持通用CAD幾何模型的導入，包含.x_t、.stp、.iges、.ACIS等4種以上格式，支持.neu、.msh等流體網格格式導出。
4. 具備試驗數據導入分析功能。
三、典型案例
單相等溫支管流量求解——在管網系統中，用戶根據實際模型進行布管，在給定入口與出口邊界條件下，可利用本軟件進行節點壓力以及支管流量的求解。
圖2 管網系統布置界面
圖3 管網系統分析結果輸出文件
管網系統瞬態響應分析——管網系統在瞬態條件下，其結構應力載荷隨時間變化發出響應，軟件基于PCG迭代求解器，進行求解。其分析結果與商業有限元軟件MSC. Nastran的計算結果進行對比（選取其中4個時間步的結果），對比如圖所示，可見各計算結果基本一致，最大誤差為0.15%。
圖4 管網系統瞬態響應分析模型
（a）時間步11（管網系統仿真軟件） （b）時間步11（MSC.Nastran）
（c）時間步41（管網系統仿真軟件） （d）時間步41（MSC.Nastran）
（e）時間步71（管網系統仿真軟件） （f）時間步71（MSC.Nastran）
（g）時間步91（管網系統仿真軟件） （h）時間步91（MSC.Nastran）
圖5 各時間步計算結果對比
圖6 節點4的X向位移結果對比
彎管靜力分析——彎管受節點集中力和節點集中力矩作用引起變形問題，管網系統分析軟件通過3D結構分析模塊求解靜力分析，并進行后處理。分析結果與商業有限元軟件MSC. Nastran的計算結果進行對比，最大位移計算結果一致。
（a）位移結果云圖（管網系統仿真軟件）
（b）位移結果云圖（MSC.Nastran）
圖7 位移結果云圖對比
應力結果云圖對比如下所示，最大應力計算結果誤差為1.52%。
（a）Von-Mises應力結果云圖（管網系統仿真軟件）
（b）Von-Mises應力結果云圖（MSC.Nastran）
圖8 Von-Mises應力結果云圖對比
任意選取100個節點（如節點301~400），對比其Y向位移計算結果，如下圖所示，可見計算結果一致。
圖9 節點301~400 Y向位移結果對比
管網系統模態分析——管網系統運行過程中會承受不同類型的外載荷激勵，例如泵、壓縮機的振動，以及地震、風載等，結構和系統的振動特性決定了對于其他動力載荷的響應情況。通過管網系統的模態分析，可以對結構的振動特性進行評估。將計算結果與商業有限元軟件MSC. Nastran的計算結果進行對比，第7~10階模態振型對比如圖10所示（其中，管網系統仿真軟件縮放因子設為60），可見各階振型計算結果一致，最大位移計算誤差不超過0.25%。
（a）第7階模態（壓力管道軟件） （b）第7階模態（MSC.Nastran）
（c）第8階模態（壓力管道軟件） （d）第8階模態（MSC.Nastran）
（e）第9階模態（壓力管道軟件） （f）第9階模態（MSC.Nastran）
圖10 模態分析各階振型計算結果對比
任意選取一階固有頻率（如第7階固有頻率），對比任意節點（如節點5201~5300）的Y向位移計算結果，如下圖所示，可見計算結果一致。
圖11 第7階模態節點5201~5300 Y向位移結果對比
五、行業客戶
船舶：中國船舶719研究所
