技術性文章

使用 Ansys 進行管路模擬 (Pipe)

管路 (pipe) 無處不在。涉及管路的應用範圍很廣。在日常生活中,我們家的水管、我們駕駛的汽車的空調、以及運輸汽油和柴油的加油站都使用管道。

在工業上,許多管道用於加工、氣體和液體傳輸、傳輸以及在發電廠中廣泛使用。


從結構分析的角度來看,管路是一種細長結構,具有管狀橫截面,沿長度方向可能很長。梁也可以具有管狀結構,但大多數梁或柱用於強度目的。管路的主要功能是用於輸送流體和氣體。液體/氣體傳輸可能是熱的、高壓的,也可能是粘性的。我們希望使用最小的管路厚度來節省材料,同時仍然滿足溫度和壓力要求。主要關注設計管路系統的工程師通常依賴專門的分析工具。這些利基工具簡化了從管路系統幾何創建到每個行業代碼的最終輸出的過程。它們對日常管道設計人員非常有效。但是,對於接觸管路結構或管路幾何形狀的結構設計工程師來說,相對簡單。那些專門的工具可能有點矯枉過正。此外,當涉及到更詳細或更高級的分析時,這些工具也存在觀察到的局限性。

Ansys Mechanical 被稱為通用有限元程序,它提供了一組技術和工作流程,使管道分析成為一項輕鬆的任務。某些功能(接觸、詳細建模、混合模型)超出了典型管道軟體的能力。

在這篇文章中,我想向您簡要介紹一些我們用於管路分析的技術和功能。首先,讓我向您介紹三個元素:即 pipe288、pipe289 和彎頭 290。Pipe288 為 3-D 的 2 節點管,pipe289 為 2-D 的 3 節點管,肘部 290 為 3D 的 3 節點彎頭。僅憑名稱,您就可以看出彎頭元素用於彎頭(根據管路術語)。PIPE288 和 PIPE289 可以處理薄壁和厚壁(甚至是實心圓形)橫截面。對於厚壁選項,採用全 3D 應力狀態。PIPE288 和 PIPE289 僅接受圓形橫截面。在變形期間橫截面將保持圓形(即,僅允許均勻的徑向膨脹)。因此,PIPE288 和 PIPE289 應僅用於直管段。另一方面,ELBOW290 允許初始非圓形截面並考慮一般截面變形,包括橢圓化、翹曲和非均勻徑向膨脹。憑藉這些先進的功能,ELBOW290 適用於可能發生大截面變形(例如,截面塌陷)的彎管和直管段。Pipe288/289 單元可以考慮附加質量(內部流體質量)、流體動力附加質量(外部流體)、波浪載荷和浮力效應。管道與表面接觸(如鋪設在海底的管道)和管道與管道的接觸(如 PIP)也可以解決。

現在讓我們來看看 Ansys Mechanical 中與管路分析相關的一些基本功能。請注意,Ansys Workbench Mechanical 僅公開管道功能的一部分功能,但您始終可以插入命令片段或使用 MAPDL 來探索全部功能。

 

  • 幾何學:

從幾何開始,您需要一個用於管路的“line body”(Ansys 術語)並指定管狀橫截面。如果您在 Ansys 前處理工具(如Ansys SpaceClaim或 DesignModeler)中構建幾何圖形,那將非常簡單。如果您的幾何圖形已在其他工具中預先構建,那麼您可以將它們引入 Ansys SpaceClaim。如果它只是線條,那麼您可以簡單地創建一些橫截面並分配給它們。如果它以體積形式出現,您可以利用“梁提取”工具自動將體積轉換為線加橫截面。在 Ansys Mechanical 中加載幾何體後,請指定“Model Type=Pipe”。

 

  • 網格和材料:

網格和材料規範與您處理基於實體的結構沒有什麼不同。您還可以指定表格溫度相關屬性(如剛度)。
 

  • 加載和約束:

內部和外部壓力,溫度。“管線壓力”可用於施加外部載荷(如覆土載荷)。

 

 

“管道理想化”有什麼作用?它用於將選定的管道元素轉換為彎頭元素,這對於彎管尤其重要。由於“管道理想化”使用的是肘部290單元,它是求解器級別的二次單元,因此在網格劃分時請務必保留中間節點。

 

  • 後處理:

對於軸力、彎矩或剪力等常見項目,可以通過“梁結果”訪問這些項目。可以使用“Solution”->“Worksheet”->“創建用戶定義的結果”訪問附加輸出,如箍應力、內部/外部壓力。

   

 

您可以使用這些結果並進行一些結果組合,並與管道手計算電子表格進行比較。但是我們為您提供了一些簡單的設置。

對於從事輸配管道系統的人來說,你會很熟悉ASME B31.8。對於其他人,它基本上是關於如何處理計算的應力並將其與指定的允許的代碼進行比較的要求。我們為此提供了 Ansys ACT APP!只需前往Ansys App Store並下載名為ASME Pipe Check的擴展程序。它可以為您節省一些時間。這是一個快照。

 

最後,我想強調一個關於 Ansys 管道模擬的獨特之處。我稱之為“混合模型”。您可以在一個系統中組合線、表面和體積結構。通過這種方式,您可以研究具有一些管道組件的整體結構,以及管道與其他組件之間的相互作用。我在這裡包含了一些使用“混合模型”的快照。

 

了解有關管路模擬和建模的未來討論,歡迎與我們聯繫

  • 電話:02-2500-6210
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