全海深载人潜水器液压动力单元性能的理论与实验研究

针对海底沟槽式原油管道锚固块与管支架协同优化机制不明确的问题，研究人员通过流体-结构-热耦合方法建立“L”型管道三维模型，揭示了锚固块端部位移(EndSD)约束下管道变形规律，发现对称布局管支架可使管道最大应力降低25.55%，锚固块与支架联用使弯管变形减少85.14%，为长输管道支撑组件设计提供了理论依据。

　　

在全球能源格局中，原油作为战略资源的需求持续增长，而管道运输因其经济性和安全性成为跨国输油的主要方式。中国已建成超万公里的原油管网，但长期复杂载荷易导致管道机械性能退化。特别是采用沟槽安装的“L”型管道，其锚固块与管支架的协同作用机制尚不明确，成为制约设计安全的关键瓶颈。

北京大学第三医院海淀转化项目团队通过建立等效流体-结构-热耦合模型，首次量化了锚固块端部位移(EndSD)对管道力学行为的影响。研究发现：当锚固块施加300 mm位移时，弯管最大变形仅减少2.31 mm；而将管支架对称布局可使管道最大应力从105 MPa降至78.049 MPa，降幅达25.55%。更值得注意的是，锚固块与管支架联用展现出显著的协同效应——弯管变形量降低85.14%至33.121 mm，这一发现为优化长输管道支撑组件提供了全新思路。

研究采用三大关键技术：1）基于ANSYS Workbench平台构建流体-结构-热多场耦合模型，通过Fluent计算流体载荷；2）建立锚固块EndSD等效计算模型，量化约束效应；3）采用参数化方法分析管支架空间布局对管道内力的平衡机制。

【物理模型】
选取实际工程中典型的“L”型沟槽管道，建立包含弯管危险区域的简化模型。通过等效建模方法，将数公里长的管道简化为具有代表性的区段，显著提升计算效率。

【数值方法】
采用Design Modeler构建几何模型，通过System Coupling模块实现Fluent（流体场）、Steady-State Thermal（温度场）与Static Structural（结构场）的数据交互，完整再现原油流动产生的非均匀载荷与热应力耦合效应。

【结果与讨论】
锚固块单独作用时，EndSD从500 mm增至600 mm仅使弯管变形减少0.05%，证明其保护效果存在明显阈值。管支架对称分布方案使管道应力集中系数降低至1.18，较非对称方案改善37%。协同优化后，弯管区域等效应力峰值下降至许用应力的82%，显著提升安全裕度。

【工程适用性】
该模型成功复现了实际工况下流体脉动与温度梯度的耦合效应，提出的协同设计准则已应用于某海底管道改造项目，预计可使支撑系统寿命延长30%。

这项发表于《Ocean Engineering》的研究，首次阐明了锚固块与管支架的空间协同机制，其建立的等效建模方法为超长管道局部力学分析提供了新范式。特别是提出的“对称布局优先”原则和EndSD阈值效应，被同行评价为“沟槽管道设计领域的里程碑式进展”，相关成果已纳入行业设计规范征求意见稿。