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运用数值方法解决工程问题已经被各行各业广泛应用。基于有限元方法进行结构数值仿真实践时，首先需要将工程问题提炼为力学问题，其次结合仿真工具对该力学问题对应的仿真模型进行建立和数值求解，最后结合得到的数值结果反向指导工程问题的解决和优化。在这个过程中，如何高效地运用仿真工具，将力学问题对应的仿真模型合理的建立并求解出来，对指导工程问题的解决至关重要。

沉管下沟是指沿管道开挖管沟，利用自身重力作用缓慢地将管道下沉到管沟内的施工方法。近年来我国油气管道建设飞速发展，途经冻土、湿地、农田等各种地理环境，沉管下沟的施工作业方式也得到越来越多的应用。然而在不同施工环境中，管道的变形各异以及如何合理设计施工过程成了实际工作中的难题。下面以油气管道建设中连续冷弯管纵向沉管施工模型在Simdroid中的建模和分析结果，分享一点我的经验。

管道沉管下沟现场施工图

第一：在建立仿真模型之前一定要进行思考，即采用什么维度的几何模型进行建模？基于有限元方法进行结构仿真，选择合适的单元进行模型的建立非常重要。合适的单元维度、类型和单元尺寸可以在确保计算精度的同时大幅缩短计算时间、降低计算成本。在沉管下沟过程中，我们主要关注管道的变形，对于管道类细长结构适合采用一维梁单元建立模型。而土体在沉管下沟过程中，土体表层不会产生较大变形，也不需要考虑其深度方向的变化和影响，因此可采用二维壳单元建立土体模型，并赋予相对管道更具刚性的材料参数给土体。

连续冷弯管纵向下沟模型

在进行管道的几何模型创建时，通过Simdroid的草图功能绘制连续弯管，其中Simdroid中的“辅助线”能够有效提高连续弯管模型的绘制效率。我在最初绘制弯管草图时，没有借助“切换辅助线”工具，绘制曲线时草图总是“跑”，无法快速的约束和定位；而使用了“辅助线”后，草图绘制速度大大加快。

绘制时线“跑”了

26°连续冷弯管草图（图中蓝色线为辅助线、白色线为借助辅助线的约束和定位进一步绘制出的草图）

第二：网格剖分时要选择合适的网格尺寸。这关系着计算精度和计算成本，因此在兼顾计算精度的同时还要注意计算时长。在本次介绍的沉管下沟模型中，主要关注的是管道的力学响应，土体并不是本次研究的重点且土体自身变形较小，因此在剖分网格时，将土体的网格尺寸设置得相对大一些。另外，在结构有限元仿真分析中，网格的剖分质量对计算结果有很大影响。我遵循的基本原则是在剖分时尽量规则美观。复现原始的几何形状，使用Simdroid的“边控制”进行局部加密等方法能够有效提高网格质量，确保计算精度。

模型网格剖分结果

第三：分析时要注意根据实际工程问题提炼并正确添加约束条件。基于有限元方法求解结构问题时需要设置约束条件，不正确约束设置会加剧模型计算的不收敛性或得到错误的结果。对于本次沉管下沟模型，如果约束管道的两端，计算结果会与实际情况不符。经过反复地调试和思考后，我最终推翻了最初的约束条件设置方案，确定了只将管道最上端进行固定约束，从而得到了与实际更为符合的计算结果。

两端约束计算结果

一端约束计算结果

在学习过程中，我体会最深的一点：除了寻求有经验的老师的技术指导外，一定要重视使用软件的帮助文档，这也是我刚进课题组时老师和师兄师姐反复强调的。这对软件的学习十分重要。

Simdroid帮助文档

在基于Simdroid完成本次沉管下沟模拟案例的过程中得到了云道智造的多位老师的帮助和支持，在此表示深深的感谢。同时，感谢云道智造公司能够提供这样的空间帮助用户进行经验的分享和交流。