Abaqus在石化行業的應用實例

2017-03-17 by:CAE仿真在線來源:互聯網

基本分析功能

徑向接管

根據受內壓圓筒徑向接管的結構特點和載荷特性,采用了對稱三維力學模型。結構網格采用了較規則的六面體網格,對有可能產生較大應力集中的部位采取了局部網格細化。

斜接管

根據受內壓圓筒斜接管的結構特點和載荷特性,采用了對稱三維力學模型。結構網格采用了較規則的六面體網格,對有可能產生較大應力集中的部位采取了局部網格細化。

錐殼徑向接管

根據錐殼徑向接管的結構特點和載荷特性,采用了對稱三維力學模型。結構網格采用了較規則的六面體網格,對有可能產生較大應力集中的部位采取了局部網格細化。

塔體裙座連接

根據塔體裙座連接的結構特點和載荷特性,采用了對稱三維力學模型。結構網格采用了較規則的六面體網格,對有可能產生較大應力集中的部位采取了局部網格細化。

變徑殼體

根據變徑殼體的結構特點和載荷特性,對模型進行簡化。此結構有一個對稱面,我們可以選取1/2結構進行分析。使用六面體網格,對有可能產生較大應力集中的部位采取了局部網格細化。

塔的模態分析

由于壁厚為16mm,與此結構的特征尺寸,圓柱的直徑相比很小,可以用殼單元來模擬。塔直徑的尺寸與塔的高度相比也很小,此結構也可以用梁單元來模擬。以下分別為為用殼單元和梁單元模擬的模型和結果。

柱殼切向開孔

根據柱殼切向開孔結構特點和載荷特性,對模型進行簡化。此結構有一個對稱面,我們可以選取1/2結構進行分析。

除以上基本的分析功能之外,ABAQUS還具有許多高級分析功能

焊接過程的分析

ABAQUS可以考慮噴槍位置的變化、焊料的滲透、焊接的參數(電流、電壓、噴槍速度等)及隨微觀結構變化的材料屬性等。

在不考慮焊接過程時,最大應力1.7e8Pa,而考慮焊接過程殘余應力時,最大應力為4.4e8Pa。

焊接過程中的殘余應力研究,可以使設計人員更加深入理解焊接對結構的影響,充分指導容器的焊接過程。

壓力容器

ABAQUS在對壓力容器分析中也有自己獨到的優點,如便于細節建模,方便的進行結構的細節分析等等。如右圖7500立升的球罐分析,在支腿與球罐相交的地方會有應力集中,這里需要采用實體單元建立模型,此時采用ABAQUS中的shell-to-solid功能可以實現整體殼模型,局部實體模型,使得在得到精確結果的基礎上整個分析的模型不至于太大。

熱力耦合分析

單純的應力分析和單純的熱分析往往不能滿足石化行業的特點,在需要進行熱力耦合分析的工況下,ABAQUS提供了兩種熱力耦合的分析方式:順序熱固耦合和完全熱固耦合,來滿足用戶的需求。

下圖可以看到,僅有應力分析和僅進行熱分析導致的結構分布是不同的,而耦合兩個物理場進行分析,得到的結果又有別于單獨對某個物理場進行分析的結果。

儲液罐罐壁變形分析

利用附加質量分布規律的公式和有限元單元模型,通過abaqus軟件對儲液罐動力試驗模型進行數值模擬。通過分析對比彈塑性屈曲“象足效應”和“鉆石效應”的實驗數據。

證明有限元分析的合理性和有效性,并分析出經驗公式在分析動水壓力問題上的缺陷。模擬中考慮儲液罐壁動力響應加速度的方向對液體慣性作用力的影響,從而更加準確地模擬了儲液罐壁與液體的相互作用問題。ABAQUS為儲液罐結構的抗震性能分析,提供完整的解決方案。

海洋平臺

海洋石油平臺的結構強度,在風載和洋流拖拽載荷作用下的響應,以及受到水下爆炸沖擊的影響,這些將直接對平臺上的人和設備的安全造成影響。ABAQUS/Standard、ABAQUS/Explicit以及ABAQUS/Aqua模塊可以對這些影響進行評估,為平臺的設計改進提供參考意見。

立管動力學

從海底伸出的立管將受到多種載荷:自身、浮力、內部和外部的壓力、由于波浪導致的擺動載荷、水(洋)流的拖曳、表面停泊設備的拉伸力等等。在這些載荷作用下,立管的響應將是相當的復雜,同時立管的結構特點(一個方向相比另兩個方向的尺度很大)導致分析難度增大。

結構和海床的相互作用

鋪設在海底的立管和海底的軟土相互接觸,導致立管形狀的改變,問題涉及大的柔性體以及接觸和大變形等。ABAQUS中具有強大的土壤模型,能模擬各類土壤如飽和或半飽和的土、沙以及粘土等。由于海底土壤很軟,接觸模擬中可以使用軟接觸來進行模擬。

ABAQUS還可以用來模擬自升式平塔由于土壤變形而導致的結構響應,spud-can的插入以及加載分析。

立管的屈曲

立管由于其尺度問題,在使用時容易發生屈曲,立管的屈曲分析對立管的鋪設、安裝使用等都有很重要的意義。下圖是由于熱載荷使得立管在側向發生屈曲。

砂石對管道的侵蝕

原油在開采過程中,內部通常含有一些細小的砂石,這些砂石具備一定的速度,它們和傳輸管道的內壁相互作用,會對管道內壁進行磨損,ABAQUS提供的Umeshmotion功能可以對這類問題進行模擬,得到管壁被侵蝕的程度。

熱分析

框架結構在火災作用下,鋼材受熱容易變軟無法承受自身的重量,從而導致結構的坍塌(911事件中的世貿大廈就是此類原因導致坍塌)。ABAQUS/Standard可以用來模擬海洋結構在火災情況下的熱軟化以及最終的坍塌。ABAQUS中強大的材料實效功能可以幫助用戶精確的模擬這一過程。同時,ABAQUS還可以用來結構在冷/熱流體中的冷卻/加熱效果,分析可以是單純的熱傳導分析,也可以是耦合的熱應力分析。

擴管分析

在幾千米的油氣井中進行鋼管的擴張已經成為整個油田屆的技術革新。通過abaqus的模擬可以展示出,擴管過程導致的變形和塑性應變,這些可能會引起管道的損傷甚至破裂。通過模擬得到的這些信息可以為工程設計人員在進行擴管前修正裝備和設計實驗室內的試驗來評估這一過程。

結束語

可以預計,在不遠的將來,非線性有限元方法將非常廣泛地應用到壓力容器行業的各個領域,ABAQUS將為我國的壓力容器設計水平趕超國際先進水平而發揮重要的作用。

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