ANSYS软件分析制氢装置管道结构应力的离散单元研究.pdf

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1、７８化工机械２０１５年ＡＮＳＹＳ软件分析制氢装置管道结构应力的*离散单元研究刘巨保**１丁宇奇１姬风２赵厦２门建斌２窦世山３魏学军３马卿３（１．东北石油大学机械科学与工程学院；２．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司；３．中国石油工程建设公司华东设计分公司）摘要以大型制氢转化炉管道结构为背景，选取不同尺寸的直管和弯管结构作为研究对象，采用有限元软件ＡＮＳＹＳ中的梁单元、管单元、壳单元和实体单元分别进行离散，分析计算了温度载荷、持续外载、内压和综合载荷作用下的管道结构应力，得到了ＡＮＳＹＳ软件分析制氢装置中管道结构应力的离散单元选择

2、方法和条件，确保了石油石化管道结构应力有限元分析结果的可靠性。关键词管道结构离散单元制氢装置＋中图分类号ＴＱ０５５．８１文献标识码Ａ文章编号０２５４-６０９４（２０１５）０１-００７８-０６石油化工领域中存在很多管道结构，由于管究了不同工况下化工管道应力分析的计算精度和道长期承受外力、温度及内压等载荷作用，常产生效率，为该类管道结构应力的有限元分析提供了过大应力从而导致失效，严重影响到其安全运行，重要依据。研究复杂载荷作用下的管道结构应力是管道安全１制氢装置管道结构中局部直管与弯管受力分［１］评价和设计中必须开展的工作。析迄今

3、，已有许多学者采用理论分析、有限元分由于化工管道生产中各工序和工艺繁多、管析方法对管道应力开展了大量研究和应用，其中道空间结构复杂，但其基本单元一般为直管与弯理论分析方法是针对具体问题给出了相关的计算管，为了对比不同离散单元的计算精度和效率，笔［２］公式，如管道应力和固定点推力的计算；从承者取制氢装置管道中的局部直管与弯管进行研受内压的管壁主应力推演出管道的一次加二次应究，其受力分析模型如图１所示，直管与弯管截面［３］力的计算公式；根据力平衡原理分别按弯管的位置的标识如图２所示。［４］内外拱方向推导出内压下弯管的环向应力。有限

4、元分析方法由于适用性强、应用范围广，有理论分析和实验研究无法比拟的优越性，特别是ＡＮＳＹＳ软件在石油化工管道结构应力分析中得［５］到广泛应用。目前，针对ＡＮＳＹＳ软件模拟管道结构应力的离散单元研究还没有系统论述，ＡＮ-ＳＹＳ软件提供了多种单元类型，每种单元类型有着不同的适用范围，选用不同单元类型进行计算［６，７］时，对计算效率和计算结果有较大影响。为此，笔者针对ＡＮＳＹＳ软件提供的离散单元类型研图１直管与弯管受力分析模型*国家自然科学基金资助项目（１１２７２０８５）和黑龙江省青年科学基金资助项目（ＱＣ２０１００６８）。**刘巨

5、保，男，１９６３年１２月生，教授。黑龙江省大庆市，１６３３１８。第４２卷第１期化工机械７９管道结构所施加的载荷类别主要有持续外载、温度及压力载荷等。由于选取的直管和弯管是从复杂制氢装置管道结构中分离出来的，因此取其一端为固定约束，另一端为施加集中力Ｆ＝１００ｋＮ，弯矩Ｍ＝３０００Ｎ·ｍ的持续外载，同时考虑管道自重，工作温度取Ｔ＝６３０℃，内压取ｐ＝ｉ３ＭＰａ。根据作用载荷取计算工况为：温度载荷，持续外载，内压载荷和综合载荷。２ＡＮＳＹＳ软件分析管道结构的单元及功能ＡＮＳＹＳ软件中提供了多种单元可用于模拟管道结构应力和变形，主要

6、有梁单元、管单元、壳单元和实体单元，这些单元的主要特性见表１。图２直管与弯管截面位置标识图表１ＡＮＳＹＳ软件离散管道结构的主要单元类型及其特性单元类型单元特性梁单元Ｂｅａｍ１８８线性２节点有限应变梁单元，每个节点有６或７个自由度Ｂｅａｍ１８９二阶３节点有限应变梁单元，每个节点有６或７个自由度管单元Ｐｉｐｅ２８８线性２节点有限应变管单元，支持薄管和厚管选项Ｐｉｐｅ２８９二阶３节点有限应变管单元，支持薄管和厚管选项壳单元Ｓｈｅｌｌ２８１高阶８节点壳单元，每个节点有６个自由度，适用于薄到中等厚度的壳结构实体单元Ｓｏｌｉｄ１８５高阶三

7、维８节点固体结构单元，每个节点有３个沿ｘ、ｙ、ｚ方向平移的自由度梁单元Ｂｅａｍ１８８／１８９是管道计算中普遍采２．１ＧＰａ，泊松比μ＝０．３。薄壁管与厚壁管的划分用的单元类型，该单元基于铁木辛柯（Ｔｉｍｏｓｈｅｎ-一般以Ｋ＝Ｒ／Ｒ＝１．２为界，其中Ｒ和Ｒ为管ｏｉｏｉ［９］ｋｏ）梁理论，考虑了剪切变形的影响，而工程中多道的外半径和内半径。数管道结构都存在内压载荷，但不支持施加内压载荷。一般方法是通过理论公式计算出内压作用表２直管与弯管算例的截面尺寸ｍｍ下的管道应力，并与梁单元计算结果相迭加，可近上尾管转化炉管入口集合管支管似得到

8、含内压的复合载荷下的管道结构应力。部件直径壁厚直径壁厚直径壁厚管单元Ｐｉｐｅ２８８／２８９是ＡＮＳＹＳ软件１２．０版本中增加的高阶管单元类型，该单元同样基于铁薄壁管３０２１５０１０３００２０木辛柯梁理论，变形后横截面仍保持平面且不扭厚壁管３０３１５０１５３００３０转。该单元支