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ANSYS在石油机械与压力容器设计中的应用 |
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在现代化的石油机械与压力容器设计工业中，产品的设计愈来愈精细、复杂，市场竞争要求石油机械与压力容器设备的性能指标大幅度提高，而ANSYS这样的CAE工具，在许多方面为石油石化企业保持竞争优势提供了强有力的技术保证。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证并在国务院十七个部委推广使用。 
图1、ANSYS对四通应力分析
近十年来，已经有近百不同版本的ANSYS软件在压力容器行业发挥着巨大作用。使ANSYS在压力容器行业占据了国内95%以上的市场份额，成为压力容器分析设计的事实上的标准。ANSYS为推动CAE分析设计在该领域的普及做出了卓有成效的工作，为提高我国压力容器的分析设计水平作出了巨大的贡献。
承受高温高压的压力容器设计中常常需要进行弹塑性、蠕变、大变形等非线性分析。起停机等变化的工况引起结构的交变应力，疲劳强度亦是容器设计中必需考虑的问题。
对于大型容器的结构，静强度设计不能完全满足要求，因而动强度的分析计算能为容器设计所必需的。ANSYS 动力学分析功能可求解结构的非线性时程响应，谱分析可用于结构的地震响应分析。ANSYS 特有的流体单元可解决盛液容器的动力计算，分析盛液容器的模态及地震响应。
图2 ANSYS 对容器的应力分析
1、抽油机设计
对于抽油机设计中诸如：抽油机总成、支架、游梁曲柄连杆机构、动力装置以及各个零部件的设计等，ANSYS 都可以发挥出其分析计算优势，使得设计的各部件尺寸合适、性能最佳，达到提高抽油机产品性能，降低生产成本的目的。
图3 采用ANSYS 的静力及屈曲分析功能对游梁式抽油机支架的强度、刚度与稳定性进行分析
2、高压阀门结构优化设计
ANSYS 程序提供了两种优化的方法：零阶和一阶方法。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。
对于这两种方法，ANSYS 程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。除了以上两种优化方法，ANSYS 程序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程的效率。例如，随机优化分析的迭代次数是可以指定的。随机计算结果的初始值可以作为优化过程的起点数值。
油田生产中使用的一种大通径高压阀门，其设计通径达82mm，使用内压16MPa，为保证安全，根据设计方要求，针对该阀门的设计原型进行了三维有限元强度分析与结构形状优化设计，通过ANSYS 分析使得优化后的阀门最大应力降低达20％。下图给出ANSYS 计算结果。
图4 井口高压阀门应力分析与优化
3、恒流量往复泵凸轮传动机构凸轮副接触应力计算
ANSYS 的疲劳与蠕变分析功能能解决常值载荷或常值位移作用下元器件的非线性变形或松弛，确定在周期载荷、随机载荷以及变化的热场作用下部件或整体结构的疲劳寿命，程序提供了超弹性、多线性、Anand 模型、粘弹性、超塑性等材料模式。
某型号油田钻井泵传动机构的凸轮副曾经一度出现短期损坏，严重影响了油田生产，采用ANSYS 仿真分析技术对凸轮传动机构以及凸轮副的接触应力进行了分析，并对凸轮副进行相应的形状优化设计，有效地解决了凸轮副短期失效问题。图5 凸轮副接触应力。
图5 凸轮副接触应力
4、真空过滤器
扬子石化设计的真空过滤器长度为2774mm，最大外经Φ1700mm，过滤器之上分布3570个Φ28mm 的滤孔。结构为薄壳网状筒形，过滤器在自重、物料重及真空度作用下承受扭矩。为保证过滤器安全，由石油大学采用ANSYS 对过滤器进行变形与刚度分析，为改进设计提供参考依据。分析模块：结构分析。单元类型：典型薄壳，选择SHELL93、SHELL63 单元。图6-6 给出建模与计算结果。
图6 真空过滤器建模与计算结果
5、同轴式反应－再生器
催化两器－反应再生器是炼厂关键设备之一，近几年来催化两器曾发生过多起裂纹引起的失效案例。为了降低两器设计应力水平，提高安全度，采用ANSYS 的热分析与结构分析以及耦合模块，对同轴式反应－再生器的整体结构、封头、筒体、裙座、封头、人孔与接管等部位进行了全面温度场模拟与结构应力分析，并进行了适当结构尺寸改变，达到了减低工作应力的目的。以下给出计算结果。
图7、ANSYS 同轴式反应－再生器分析结果
6、预处理塔应力及疲劳分析
ANSYS 对预处理塔进行应力与疲劳分析的计算结果见下图。
图8 ANSYS 预处理塔应力及疲劳分析
7、换热器应力分析
ANSYS 对换热器的管板、封头、波纹管等部件进行温度与应力分析，分析结果见下图。
图9、ANSYS换热器应力分析
8、焊接过程残余应力分析
机械装备与压力容器多用焊接结构连接，ANSYS的“单元死活技术”、和“相变分析技术”为焊接过程的模拟提供了完善的解决方案。单元死活技术可以模拟材料的去除与添加过程，随焊缝中焊料的不断加入，可不断激活相应的部分单元，使其参与传热承载相变分析可准确地模拟焊料由液相到固相的过程，待计算到焊缝中的焊料全部冷却凝固，即可以得到焊接件的残余应力和变形；改变单元激活的步骤及时间，即可得到不同的焊接工艺的焊接结果，从而为焊接过程的优化提供依据。
图10ANSYS进行的焊缝应力分析，分析中采用了“死活单元”技术
9、疲劳与剩余强度分析
ANSYS 具有功能强大的疲劳分析能力，疲劳分析具有以下特点：
·方便的用户操作面板
·丰富的材料数据库
·多种的载荷历史组合方式
·考虑多种影响疲劳寿命的因素
·丰富的疲劳分析模型
·分析结果的3D 显示
图11 ANSYS 容器接管疲劳分析
图12 ANSYS 连接件接预紧疲劳分析 图13 ANSYS 阶梯轴断裂疲劳分析
(end)
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(6/29/2005) |
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