ANSYS在石油機械與壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

ANSYS在石油機械與壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用:

在現(xiàn)代化的石油機械與壓力容器設(shè)計產(chǎn)業(yè)中,產(chǎn)品的設(shè)計愈來愈精細、復(fù)雜,市場競爭要求石油機械與壓力容器設(shè)備的性能指標大幅度進步,而ANSYS這樣的CAE工具,在很多方面為石油石化企業(yè)保持競爭上風提供了強有力的技術(shù)保證。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型分析設(shè)計類軟件,是美國機械工程師協(xié)會(ASME)、美國核安全局(NQA)及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認證的標準分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標準化技術(shù)委員會的認證并在國務(wù)院十七個部委推廣使用。

圖1、ANSYS對四通應(yīng)力分析

近十年來,已經(jīng)有近百不同版本的ANSYS軟件在壓力容器行業(yè)發(fā)揮著巨大作用。使ANSYS在壓力容器行業(yè)占據(jù)了國內(nèi)95%以上的市場份額,成為壓力容器分析設(shè)計的事實上的標準。ANSYS為推動CAE分析設(shè)計在該領(lǐng)域的普及做出了卓有成效的工作,為進步我國壓力容器的分析設(shè)計水平作出了巨大的貢獻。

承受高溫高壓的壓力容器設(shè)計中經(jīng)常需要進行彈塑性、蠕變、大變形等非線性分析。起停機等變化的工況引起結(jié)構(gòu)的交變應(yīng)力,疲憊強度亦是容器設(shè)計中必須考慮的題目。

對于大型容器的結(jié)構(gòu),靜強度設(shè)計不能完全滿足要求,因而動強度的分析計算能為容器設(shè)計所必須的。ANSYS 動力學分析功能可求解結(jié)構(gòu)的非線性時程響應(yīng),譜分析可用于結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析。ANSYS 特有的流體單元可解決盛液容器的動力計算,分析盛液容器的模態(tài)及地震響應(yīng)。

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圖2 ANSYS 對容器的應(yīng)力分析

1、抽油機設(shè)計

對于抽油機設(shè)計中諸如:抽油機總成、支架、游梁曲柄連桿機構(gòu)、動力裝置以及各個零部件的設(shè)計等,ANSYS 都可以發(fā)揮出其分析計算上風,使得設(shè)計的各部件尺寸合適、性能最佳,達到進步抽油機產(chǎn)品性能,降低生產(chǎn)本錢的目的。

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圖3 采用ANSYS 的靜力及屈曲分析功能對游梁式抽油機支架的強度、剛度與穩(wěn)定性進行分析

2、高壓閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

ANSYS 程序提供了兩種優(yōu)化的方法:零階和一階方法。零階方法是一個很完善的處理方法,可以很有效地處理大多數(shù)的工程題目。一階方法基于目標函數(shù)對設(shè)計變量的敏感程度,因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。這兩種方法可以處理盡大多數(shù)的優(yōu)化題目。

對于這兩種方法,ANSYS 程序提供了一系列的分析——評估——修正的循環(huán)過程。就是對于初始設(shè)計進行分析,對分析結(jié)果就設(shè)計要求進行評估,然后修正設(shè)計。這一循環(huán)過程重復(fù)進行直到所有的設(shè)計要求都滿足為止。除了以上兩種優(yōu)化方法,ANSYS 程序還提供了一系列的優(yōu)化工具以進步優(yōu)化過程的效率。例如,隨機優(yōu)化分析的迭代次數(shù)是可以指定的。隨機計算結(jié)果的初始值可以作為優(yōu)化過程的出發(fā)點數(shù)值。

油田生產(chǎn)中使用的一種大通徑高壓閥門,其設(shè)計通徑達82mm,使用內(nèi)壓16MPa,為保證安全,根據(jù)設(shè)計方要求,針對該閥門的設(shè)計原型進行了三維有限元強度分析與結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化設(shè)計,通過ANSYS 分析使得優(yōu)化后的閥門最大應(yīng)力降低達20%。下圖給出ANSYS 計算結(jié)果。

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圖4 井口高壓閥門應(yīng)力分析與優(yōu)化

3、恒流量往復(fù)泵凸輪傳動機構(gòu)凸輪副接觸應(yīng)力計算

ANSYS 的疲憊與蠕變分析功能能解決常值載荷或常值位移作用下元器件的非線性變形或松弛,確定在周期載荷、隨機載荷以及變化的熱場作用下部件或整體結(jié)構(gòu)的疲憊壽命,程序提供了超彈性、多線性、Anand 模型、粘彈性、超塑性等材料模式。

某型號油田鉆井泵傳動機構(gòu)的凸輪副曾經(jīng)一度出現(xiàn)短期損壞,嚴重影響了油田生產(chǎn),采用ANSYS 仿真分析技術(shù)對凸輪傳動機構(gòu)以及凸輪副的接觸應(yīng)力進行了分析,并對凸輪副進行相應(yīng)的外形優(yōu)化設(shè)計,有效地解決了凸輪副短期失效題目。圖5 凸輪副接觸應(yīng)力。

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圖5 凸輪副接觸應(yīng)力

4、真空過濾器

揚子石化設(shè)計的真空過濾器長度為2774mm,最大外經(jīng)Φ1700mm,過濾器之上分布3570個Φ28mm 的濾孔。結(jié)構(gòu)為薄殼網(wǎng)狀筒形,過濾器在自重、物料重及真空度作用下承受扭矩。為保證過濾器安全,由石油大學采用ANSYS 對過濾器進行變形與剛度分析,為改進設(shè)計提供參考依據(jù)。分析模塊:結(jié)構(gòu)分析。單元類型:典型薄殼,選擇SHELL93、SHELL63 單元。圖6-6 給出建模與計算結(jié)果。

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圖6 真空過濾器建模與計算結(jié)果

5、同軸式反應(yīng)-再生器

催化兩器-反應(yīng)再生器是煉廠關(guān)鍵設(shè)備之一,近幾年來催化兩器曾發(fā)生過多起裂紋引起的失效案例。為了降低兩器設(shè)計應(yīng)力水平,進步安全度,采用ANSYS 的熱分析與結(jié)構(gòu)分析以及耦合模塊,對同軸式反應(yīng)-再生器的整體結(jié)構(gòu)、封頭、筒體、裙座、封頭、人孔與接管等部位進行了全面溫度場模擬與結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析,并進行了適當結(jié)構(gòu)尺寸改變,達到了減低工作應(yīng)力的目的。以下給出計算結(jié)果。

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圖7、ANSYS 同軸式反應(yīng)-再生器分析結(jié)果

6、預(yù)處理塔應(yīng)力及疲憊分析

ANSYS 對預(yù)處理塔進行應(yīng)力與疲憊分析的計算結(jié)果見下圖。

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圖8 ANSYS 預(yù)處理塔應(yīng)力及疲憊分析

7、換熱器應(yīng)力分析

ANSYS 對換熱器的管板、封頭、波紋管等部件進行溫度與應(yīng)力分析,分析結(jié)果見下圖。

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圖9、ANSYS換熱器應(yīng)力分析

8、焊接過程殘余應(yīng)力分析

機械裝備與壓力容器多用焊接結(jié)構(gòu)連接,ANSYS的“單元死活技術(shù)”、和“相變分析技術(shù)”為焊接過程的模擬提供了完善的解決方案。單元死活技術(shù)可以模擬材料的往除與添加過程,隨焊縫中焊料的不斷加進,可不斷激活相應(yīng)的部分單元,使其參與傳熱承載相變分析可正確地模擬焊料由液相到固相的過程,待計算到焊縫中的焊料全部冷卻凝固,即可以得到焊接件的殘余應(yīng)力和變形;改變單元激活的步驟及時間,即可得到不同的焊接工藝的焊接結(jié)果,從而為焊接過程的優(yōu)化提供依據(jù)。