Abaqus在石化行业的应用实例

2017-03-17 by:CAE仿真在线来源:互联网

基本分析功能

径向接管

根据受内压圆筒径向接管的结构特点和载荷特性,采用了对称三维力学模型。结构网格采用了较规则的六面体网格,对有可能产生较大应力集中的部位采取了局部网格细化。

斜接管

根据受内压圆筒斜接管的结构特点和载荷特性,采用了对称三维力学模型。结构网格采用了较规则的六面体网格,对有可能产生较大应力集中的部位采取了局部网格细化。

锥壳径向接管

根据锥壳径向接管的结构特点和载荷特性,采用了对称三维力学模型。结构网格采用了较规则的六面体网格,对有可能产生较大应力集中的部位采取了局部网格细化。

塔体裙座连接

根据塔体裙座连接的结构特点和载荷特性,采用了对称三维力学模型。结构网格采用了较规则的六面体网格,对有可能产生较大应力集中的部位采取了局部网格细化。

变径壳体

根据变径壳体的结构特点和载荷特性,对模型进行简化。此结构有一个对称面,我们可以选取1/2结构进行分析。使用六面体网格,对有可能产生较大应力集中的部位采取了局部网格细化。

塔的模态分析

由于壁厚为16mm,与此结构的特征尺寸,圆柱的直径相比很小,可以用壳单元来模拟。塔直径的尺寸与塔的高度相比也很小,此结构也可以用梁单元来模拟。以下分别为为用壳单元和梁单元模拟的模型和结果。

柱壳切向开孔

根据柱壳切向开孔结构特点和载荷特性,对模型进行简化。此结构有一个对称面,我们可以选取1/2结构进行分析。

除以上基本的分析功能之外,ABAQUS还具有许多高级分析功能

焊接过程的分析

ABAQUS可以考虑喷枪位置的变化、焊料的渗透、焊接的参数(电流、电压、喷枪速度等)及随微观结构变化的材料属性等。

在不考虑焊接过程时,最大应力1.7e8Pa,而考虑焊接过程残余应力时,最大应力为4.4e8Pa。

焊接过程中的残余应力研究,可以使设计人员更加深入理解焊接对结构的影响,充分指导容器的焊接过程。

压力容器

ABAQUS在对压力容器分析中也有自己独到的优点,如便于细节建模,方便的进行结构的细节分析等等。如右图7500立升的球罐分析,在支腿与球罐相交的地方会有应力集中,这里需要采用实体单元建立模型,此时采用ABAQUS中的shell-to-solid功能可以实现整体壳模型,局部实体模型,使得在得到精确结果的基础上整个分析的模型不至于太大。

热力耦合分析

单纯的应力分析和单纯的热分析往往不能满足石化行业的特点,在需要进行热力耦合分析的工况下,ABAQUS提供了两种热力耦合的分析方式:顺序热固耦合和完全热固耦合,来满足用户的需求。

下图可以看到,仅有应力分析和仅进行热分析导致的结构分布是不同的,而耦合两个物理场进行分析,得到的结果又有别于单独对某个物理场进行分析的结果。

储液罐罐壁变形分析

利用附加质量分布规律的公式和有限元单元模型,通过abaqus软件对储液罐动力试验模型进行数值模拟。通过分析对比弹塑性屈曲“象足效应”和“钻石效应”的实验数据。

证明有限元分析的合理性和有效性,并分析出经验公式在分析动水压力问题上的缺陷。模拟中考虑储液罐壁动力响应加速度的方向对液体惯性作用力的影响,从而更加准确地模拟了储液罐壁与液体的相互作用问题。ABAQUS为储液罐结构的抗震性能分析,提供完整的解决方案。

海洋平台

海洋石油平台的结构强度,在风载和洋流拖拽载荷作用下的响应,以及受到水下爆炸冲击的影响,这些将直接对平台上的人和设备的安全造成影响。ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit以及ABAQUS/Aqua模块可以对这些影响进行评估,为平台的设计改进提供参考意见。

立管动力学

从海底伸出的立管将受到多种载荷:自身、浮力、内部和外部的压力、由于波浪导致的摆动载荷、水(洋)流的拖曳、表面停泊设备的拉伸力等等。在这些载荷作用下,立管的响应将是相当的复杂,同时立管的结构特点(一个方向相比另两个方向的尺度很大)导致分析难度增大。

结构和海床的相互作用

铺设在海底的立管和海底的软土相互接触,导致立管形状的改变,问题涉及大的柔性体以及接触和大变形等。ABAQUS中具有强大的土壤模型,能模拟各类土壤如饱和或半饱和的土、沙以及粘土等。由于海底土壤很软,接触模拟中可以使用软接触来进行模拟。

ABAQUS还可以用来模拟自升式平塔由于土壤变形而导致的结构响应,spud-can的插入以及加载分析。

立管的屈曲

立管由于其尺度问题,在使用时容易发生屈曲,立管的屈曲分析对立管的铺设、安装使用等都有很重要的意义。下图是由于热载荷使得立管在侧向发生屈曲。

砂石对管道的侵蚀

原油在开采过程中,内部通常含有一些细小的砂石,这些砂石具备一定的速度,它们和传输管道的内壁相互作用,会对管道内壁进行磨损,ABAQUS提供的Umeshmotion功能可以对这类问题进行模拟,得到管壁被侵蚀的程度。

热分析

框架结构在火灾作用下,钢材受热容易变软无法承受自身的重量,从而导致结构的坍塌(911事件中的世贸大厦就是此类原因导致坍塌)。ABAQUS/Standard可以用来模拟海洋结构在火灾情况下的热软化以及最终的坍塌。ABAQUS中强大的材料实效功能可以帮助用户精确的模拟这一过程。同时,ABAQUS还可以用来结构在冷/热流体中的冷却/加热效果,分析可以是单纯的热传导分析,也可以是耦合的热应力分析。

扩管分析

在几千米的油气井中进行钢管的扩张已经成为整个油田届的技术革新。通过abaqus的模拟可以展示出,扩管过程导致的变形和塑性应变,这些可能会引起管道的损伤甚至破裂。通过模拟得到的这些信息可以为工程设计人员在进行扩管前修正装备和设计实验室内的试验来评估这一过程。

结束语

可以预计,在不远的将来,非线性有限元方法将非常广泛地应用到压力容器行业的各个领域,ABAQUS将为我国的压力容器设计水平赶超国际先进水平而发挥重要的作用。

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