Ansys在压力容器行业的典型应用（上）

压力容器整体强度、刚度分析

输入条件

压力容器有关模型及材料数据，接触连接关系，筒端固定约束，温度及设计压力。

仿真流程

结果与效果

✓罐体模型更改前后的变形云图。变形量由19.8mm降低至5mm。

✓通过方案分析对比，改进方案消除了较大的异常变形，方案合理。

球罐强度、变形分析

输入条件

压力容器三维模型，接触连接关系，内压、风、雪载荷。

仿真流程

结果与效果

✓定量分析球罐在自重、内压、风压、雪压及地震波共同作用下的应力分布和变形。

✓有效预测结构设计中的薄弱环节，作为安全性等性能的评价指标。

外压容器稳定性分析

输入条件

几何模型、外压

仿真流程

结果与效果

✓全模型与1/2 模型计算所得临界压力均为1.24MPa ，这是由于在侧向外压作用下，圆筒仅沿圆周方向失稳，轴向对称面不会影响失稳时非对称突变。

✓采用特征值法可以有效计算其失稳模态。

压力密封提高安全性

• 设计中的难点

‐ 井下操作一般是在高温高压性进行，如何在高压情况下（15~20kpsi）提高井的密封性是工程师关注的问题

‐ 在密封时涉及弹性体和金属密封件的大非线性变形

‐ 磨损后在流体压力过高的情况下容易产生泄露

• Ansys技术方案

‐ 通过Ansys Mechanical强大的非线性结构求解器来了解密封压力，从而改进高温、高压下密封设计；通过接触进行流体压力泄漏研究，能有效防止因漏油引起的大规模环境灾害

‐ 通过Ansys CFD预测泄露物的扩散

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical Enterprise + Ansys CFD Premium

螺栓

• 设计中的难点

- 螺栓连接的准确评估对于确保承压和承重组件的可靠运行至关重要

• Ansys技术方案

‐ 基于Ansys结构仿真可以可以进行几何非线性仿真，进行螺栓预紧工具设计，实现多步分析

‐ 更好地了解由于组装和服务中加载而产生的连接行为

‐ 失效模式预测和评估

‐ 洞察超出设计条件的行为

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical Enterprise

法兰连接接触分析

输入条件

模型几何参数、螺栓预紧力、内压

仿真流程

结果与效果

紧固件承载情况，法兰应力水平等

压力容器法兰螺栓螺纹疲劳寿命分析

输入条件

压力容器法兰及连接螺栓在40种压力工况和40种温度工况下，考虑螺栓预紧力以及各部件之间的接触，进行非线性热-结构耦合应力分析。

仿真流程

结果与效果

✓分析结构的温度分布，进一步分析其热应力

✓热-结构耦合分析，得出螺栓连接的应力分布云图

✓计算螺栓80个截面的应力分量变幅均值、雨流计数、Miner损伤累积、S-N曲线修正等，基于ASME和RCCM规范，采用截面平均法时取4倍疲劳衰减系数，则60年内螺栓疲劳耗用系数最大为0.753

阀门

• 设计中的难点

‐ 在油气生产过程中会遇到各种各样复杂的阀门，阀门内部涉及复杂的多相流仿真，并且物性随着温度或者压力变化而变化，从而增加了阀门内流动研究的复杂性

‐ 由于经过阀门压力变动很大，涉及流体的可压缩变化，甚至产生空化，从而影响阀门性能和使用寿命

• Ansys技术方案

‐ 通过Ansys Mechanical能够对阀门的强度和结构应力进行分析

‐ 通过Ansys CFD内丰富的多相流模型，能够研究阀门内部复杂的流动，例如空化、冲蚀等，辅助模拟极端条件，从而减少设备故障，减少维护成本和更换成本

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical Enterprise + Ansys CFD Premium + HPC pack

高压阀门的优化分析

输入条件

阀门三维几何模型，材料参数，约束及内压16MPa，输入输出参数。

仿真流程

结果与效果

✓对比结构优化前后阀门最大应力集中位置，使得阀门最大应力降低达21.2％

✓通过优化分析可以方便地实现设计方案修改、多方案对比和优化设计，使压力容器设计在满足强度和有限元寿命的前提下进行轻量化设计

断裂损伤阀杆的受力状态分析

输入条件

为了简化模拟，根据材料力学知识，提前把复杂的受力状况的动载荷，简化成静载荷。

仿真流程图

仿真输出

把简化好的静载荷施加到阀杆上，通过Ansys Structural模块计算出在指定载荷下阀杆的应力分布情况，进而可以分析出危险截面的应力分布，以及应力集中情况。

管路冲蚀

• 设计中的难点

‐ 油气井出沙是很常见的，砂砾能引起管道冲蚀、堵塞等问题。了解管路的冲蚀状况对油气生产和运维至关重要。

‐ 冲蚀会导致设备的磨损，从而导致计算域发生变化，从而导致流动的变化。

‐ 冲蚀后设备是否满足设计需要，运维检修周期是多久。

• Ansys技术方案

‐ 通过Ansys Fluent内包含行业内标准的冲蚀模型，并且考虑的不同颗粒浓度（稀相，密相）的影响，能够与动网格耦合(ANSYS独有)，考虑颗粒造成管路的磨损变形。

‐ 采用Ansys Mechanical能够对冲蚀后的设备强度以及可靠性进行评估。

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys CFD Premium + Ansys Mechanical Enterprise + HPC pack

水力压裂

• 设计中的难点

‐ 在水力压裂过程中会涉及压裂支撑剂的运输问题，研究不同粒径的支撑剂的运输状态，考虑颗粒的沉降行为，是工程师普遍关注的问题

‐ 由于冲蚀/腐蚀造成几何结构变形

• Ansys技术方案

‐ Ansys Fluent中丰富的多相流模型，能够充分考虑颗粒-流体的相互作用，颗粒-颗粒的相互作用，模拟流型由稀相到密相转换

‐ Ansys Fluent可以将冲蚀模型与动网格模型进行耦合，考虑由于冲蚀、腐蚀造成结构的变形

‐ Ansys Rocky能够考虑颗粒的形状和尺寸，基于Ansys Workbench平台能够非常容易的实现与Ansys Fluent耦合

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys CFD Premium + Ansys Rocky + HPC pack

跨接管道

• 设计中的难点

‐ 跨接管道在石油运输中至关重要

‐ 带有脉动形式的多相流

‐ 海底中流致振动 (FIV) 和涡流诱导的振动(VIV)

‐ 由于疲劳和共振造成的故障

• Ansys技术方案

‐ CFD求解器中丰富的多相流模型

‐ 模态和结构求解器

‐ 强大的流固耦合功能

‐ 能够帮助预测 FIV, VIV, 分析疲劳和工资造成的故障

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys CFD Premium + Ansys Mechanical Enterprise + HPC pack

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