Трубопроводы присутствуют практически в любой технике и служат для выполнения широкого круга задач. В быту трубопроводы используются для подачи воды в дома, в автомобильных кондиционерах, на автозаправочных станциях для перемещения бензина или дизельного топлива. В промышленности трубопроводы очень широко используются для перемещения жидкостей и газов в разнообразных химических производствах, электростанциях и т.д.
С точки зрения расчёта на прочность, трубопровод является длинным гибким элементом кольцевого сечения. Балки тоже могут иметь полое круглое сечение, но основная функция большинства балок и колонн – обеспечение прочности конструкции. У трубопроводов же основная функция – транспортировка жидкостей и газов. Транспортируемая среда может находиться под высокой температурой или под высоким давлением, она также может иметь высокую вязкость. Для экономии материала мы хотели бы использовать минимально возможную толщину стенки, но здесь следует учитывать прочностные требования от действия тепловых нагрузок и давления.
Инженеры, которые занимаются преимущественно разработкой трубопроводов, обычно используют в своей работе специализированное программное обеспечение. Эти отраслевые продукты эффективно ускоряют рабочие процессы, начиная от создания геометрии трубопровода и вплоть до формирования отчётов с результатами согласно отраслевым стандартам. Такое программное обеспечение крайне эффективно для большинства типовых задач в области разработки трубопроводов. Однако, для инженера-прочниста, который сталкивается с задачами расчёта трубопроводов не так часто, освоение специализированных пакетов может быть излишним. К тому же, эти пакеты зачастую весьма ограничены и не позволяют произвести более детализированный или сложный расчёт.
Модуль ANSYS Mechanical, который является конечноэлементным пакетом широкого профиля, предоставляет ряд возможностей для эффективной работы с трубопроводами. А дополнительные возможности ANSYS (контактное взаимодействие, твердотельное и гибридное моделирование) позволяют решать ряд задач, которые не доступны для специализированных пакетов для расчётов трубопроводов.
В данной статье я хочу дать обзор некоторых технологий, которые будут полезны при проведении расчётов трубопроводов. Для начала, следует упомянуть три типа конечных элементов: PIPE288, PIPE289 и ELBOW290. Элемент PIPE288 – это трёхмерный двухузловой участок трубопровода, PIPE289 – двумерный трёхузловой участок, ELBOW290 – трёхмерный трёхузловой участок с возможностью задания криволинейной траектории (в терминологии трубопроводных систем этот элемент, как следует из его названия, используется для моделирования колена).
Элементы PIPE288 и PIPE289 позволяют рассчитывать как тонкостенные, так и толстостенные (вплоть до сплошного сечения) трубопроводы, причём для толстостенных трубопроводов результатом расчёта является полностью трёхмерное поле напряжений.
Для элементов PIPE288 и PIPE289 можно задавать только поперечные сечения круглой формы, причём считается, что сечение остаётся круглым в процессе деформации (допускается только равномерное расширение или сжатие трубы в радиальном направлении). Элементы PIPE288 и PIPE289 следует использовать только для прямых участков трубопровода.
В отличие от описанных выше элементов, элемент ELBOW290 позволяет как задавать изначально некруглые сечения, так и учитывать наиболее полный характер деформаций трубопровода: овализацию, депланацию сечения (warping), неравномерные деформации в радиальном направлении. Благодаря этим расширенным возможностям, элемент ELBOW290 хорошо подходит для непрямых участков трубопровода, а также для тех прямых участков, которые подвержены сильному искажению сечения.
Элементы PIPE288/289 поддерживают задание присоединённой массы (масса жидкой среды, текущей по трубопроводу), гидродинамической присоединённой массы (моделирование трубопровода, погруженного в среду), волновых нагрузок и эффектов плавучести. Поддерживается контактное взаимодействие трубопровода с поверхностью (например, моделирование трубопровода, лежащего на морском дне) и трубопровода с трубопроводом (например, моделирование трубопровода внутри другого трубопровода).
Теперь рассмотрим основные возможности модуля ANSYS Mechanical с точки зрения расчёта трубопроводов. В модуле ANSYS Mechanical расчётной среды Workbench доступны не все возможности ANSYS, но к ним можно получить доступ в любой момент путём использования командных вставок либо передачи проекта в расчётную среду Mechanical APDL.
Работа с геометрическими моделями:
При работе с геометрией необходимо создать «линейные тела» («line body» в терминологии ANSYS) и назначить для них полые круглые поперечные сечения. При работе в геометрических модулях ANSYS – SpaceClaim или DesignModeler – это не представляет особенной трудности. Если геометрическая модель была построена в стороннем пакете, лучше импортировать её через модуль ANSYS SpaceClaim. Если в геометрии содержатся только осевые линии, необходимо будет назначить для них поперечные сечения вручную. Если импортируется твердотельная геометрия, можно воспользоваться инструментом «Beam Extraction», который автоматически конвертирует твердотельную геометрию в линейные тела и автоматически задаёт поперечные сечения. После загрузки геометрии в модуль ANSYS Mechanical необходимо в типе модели (Model Type) в свойствах тела указать «Pipe» (трубопровод).
Построение сетки и задание материалов:
Построение сетки и назначение материалов не отличается от работы с твердотельными моделями. Для трубопроводов зачастую актуальным является точное задание свойств материалов, зависящих от температуры.
Нагрузки и граничные условия:
Можно задавать внутреннее и внешнее давление, температуру, распределённое усилие вдоль линии («Line Pressure»).
За что отвечает инструмент «Pipe Idealization»? Он позволяет задать на выбранных участках трубопровода элементы типа ELBOW290, что особенно востребовано для криволинейных участков. Элемент ELBOW290 является элементом второго порядка, поэтому при построении сетки необходимо включать промежуточные узлы.
Обработка результатов:
Типовые результаты для балочных элементов, такие как продольная сила, изгибающие моменты и поперечные силы, могут быть получены с помощью инструмента «Beam Results». Дополнительные результаты, такие как окружные напряжения, внутреннее и внешнее давление можно вывести с помощью пользовательских результатов (Solution > Worksheet > Create user defined result).
Эти результаты также можно комбинировать в алгебраическом выражении, что бывает необходимо для проведения расчётов по стандартизованным методикам. Но кроме возможности выполнять эти расчёты «вручную», есть ещё кое-что интересное.
Инженеры, которые работают над трубопроводами для транспортировки и распределения газа, наверняка хорошо знают о стандарте ASME B31.8. Для всех остальных можно сделать пояснение, что в этом стандарте содержатся рекомендации о том, каким образом обрабатывать полученные в расчёте распределения напряжений и проводить сопоставление с оговоренными стандартом допустимыми значениями. Для выполнения этой работы существует ACT-расширение под ANSYS! Вы можете скачать это расширение – оно называется «ASME Pipe Check» – из магазина приложений ANSYS App store. Это расширение сэкономит вам много времени. Вот скриншот его работы:
Наконец, я хочу подчеркнуть уникальную возможность в расчёте трубопроводов, которую предоставляет ANSYS, – я называю это «гибридным моделированием». В рамках одной расчётной модели вы можете работать одновременно с линейными, оболочечными и объёмными телами. Такой подход позволяет эффективно рассчитывать громоздкие конструкции, в которых трубопроводы являются одним из элементов, а также взаимодействие трубопроводов с присоединяемыми к ним конструкциями. Вот несколько примеров использования гибридных моделей:
Надеюсь, мой обзор технологий ANSYS в области моделирования трубопроводов был для вас полезным.
Источник: ansys-blog.com
Автор: Jiaping Zhang
