新的,延长通行证的延长能力 - FEM

作者: 罗马Unesikhin,Andrey Krasnokutsky,Ph.D.和Alexey Timoshkin,Pass Suite团队

什么是pass / nozze-fem

通过/喷嘴-Em 是一种程序,旨在使用有限元方法(FEM)计算喷嘴到壳线连接的应力和灵活性。它还计算喷嘴的允许载荷,并估计接头的强度,用于各种几何配置和操作条件。该计划可帮助工程师提供更高水平的设备安全,同时降低设计阶段的劳动力成本。它适用于设备和管道设计师和机械工程师,可以帮助他们快速检查和满足负载对压力容器/设备喷嘴的要求,以及非标准管道配件。建议使用石油和天然气,炼油厂,石化,化工,电力等工业设施的设计和工业安全评论中使用。

它还可以计算出于没有由D / T的横向T恤和TEES覆盖的T恤T恤T恤的SIF和k因子>100.

与其他可广泛的有限元素(例如,Ansys,Nastran等)不同, 通过/喷嘴-Em 不需要特殊培训,可以由任何机械工程师使用。它会自动创建FE网格并估计计算结果。使用有限元计算与半分析方法(即WRC 107(537(537)/ 297)扩展了程序的应用范围,并提高了其分析的准确性。

Pass / Noze-Fem执行与圆柱形,圆锥形和扁平壳体的不同类型(包括耳轴)的压力分析,以及锥形,椭圆形,半球形,Torispherical和扁平头。它考虑了血管边界限制和从相邻管道上的喷嘴上的载荷。它可以计算喷嘴和壳膜,弯曲和总应力。它还可以计算管道分支连接,以便对非标准T恤和短管进行详细的应力分析。该程序的新功能允许分析柱容器的圆柱形和圆锥形裙部支架。

除了应力和稳定性分析之外,该程序还执行喷嘴到壳的结柔性计算,因为这种柔性可以大大影响血管和管道应力。在管道系统的应力分析期间,喷嘴 - 容器结通过锚固载体模拟,这导致高估应力和张力。为了解决此问题并自动在计算模型中创建适当的非标准支持,该程序允许工程师通过通过通过/喷嘴-FEM计算的喷嘴 - 外壳结灵活性进入PASS /开始 - 专用管道应力分析程序。

该程序允许使用不同代码的应力估计,以便允许的应力,包括:

  • asme viii div.1, 2;
  • en 13445-3;
  • JB 4732-1995;
  • g 34233;
  • PNAE G-7-002-86。

它支持血管应力和稳定性分析以及内部压力下开口所需的增强。该程序还分析了在腐蚀性硫化氢环境中运行的喷嘴 - 壳线。

看看PASS / NOZE-FEM概述网络研讨会录音:

程序内核的主要变更

2018 - 2010年,PSRE CO释放的喷嘴-BEM版本2.15,2.16,3.0和3.1,这引入了几个重大变化。公司完全重新编写了程序内核和用户界面,提高程序的可用性,速度,可扩展性,支持逻辑级别的分层模型等等。

程序内核由三个主要组件(图1)组成,其可以彼此独立使用。对象分层模型旨在由用户管理,并将分析的结构呈现为对象的树:例如,喷嘴表示为支持外壳的子对象。在此模型中,仅指定指定描述对象本身的几何数据,以及指定要定位子对象所需的数据。

无花果。 1. Kernel components of Nozzle-FEM

几何模型,即拓扑模型,因此它包含关于曲线,表面,实体和它们之间的关系的信息,从对象层次结构模型生成。该程序组件使用许可 C3D几何核。目前,喷嘴-FEM内核中使用了一种基于壳的拓扑模型,其沿着壳体的中间表面构建。

然后基于几何模型构建由Shell有限元组成的FE模型。编制了对应于固体的平衡条件的线性代数方程系统,用于FE模型。

精制计算方法

2.15版也改进了以下基本 计算方法:强度,喷嘴,刚度的允许载荷和 压力强化系数。

现在用于刚度(灵活性)计算的两种方法:“支撑壳 - 喷嘴”系统(总刚度)的刚度计算,以及排除梁的刚度的计算(喷嘴夹具的局部刚度)。该第二种方法用于与使用光束FE模型(如PASS / START-PROF)和某些设备建模(例如在PASS / START-PROF中的TEE)的程序同时使用的程序。在这种情况下,Pass / Nozze-Fem在背景中构建了相同的光束模型,并且本地“壳牌”结的刚度是通过壳体的位移和光束型号之间的差异来确定:

在哪里  是一个计算的值 i 梁FE模型中喷嘴末端的自由度,以及 在shell模型中是相同的。

优化应力和应变计算方法,a 压力推断程序 was 介绍,解决了两个问题:

  1. 它允许通过引入特殊区域在压力集中区域中凝结在应力集中区中,其中进行额外的细化和对准网格的比对;
  2. 它会增加不同网格精炼级别的结果的融合,减少设计错误(并减轻用户的习惯,不要在非常细网格上使用计算检查)。

应力外推过程由热点应力法(HSS)实施。 HSS使用线性表面外推(LSE)过程来计算焊接脚趾处的应力(图。 2)。通过LSE选择点T1和T2取决于壳体厚度S.该方法稳定了确定集中器周围应力的过程,并增加了Fe模型中不同网格细化水平的结果的收敛性。

无花果。 2. Hot spot stress (HSS) method

例如,我们可以比较用外推过程获得的计算结果,并且没有使用喷嘴粘合到圆柱形壳体的例子,其在喷嘴处施加100k的轴向力。在这种情况下,使用前面的方法,即使在5中也无法确定最大的总压力TH. 网眼细化水平(图。 3B)。第一级外表面上的总应力(膜+弯曲)为64.1 MPa (Fig. 3A);考虑到km = 1.30的网状系数,计算的应力将等于83.3MPa。同时,网眼第五级的应力为83.9 MPa (Fig. 3B)并考虑到km = 1.05的网格因子,应力为88.1MPa。这表明第一级的总应力的最大值没有达到第五级的值。下图表明即使在网格的第五级也没有获得最大峰值值。

无花果。 3. Total (membrane and bending) stresses at the first (a) and fifth (b) levels of the mesh

相反,在使用时 压力推断 该相同示例的过程(图。 如图4所示,网格的第一和第五含量产生类似的结果,这些结果超过了在不施加应力外推的情况下进行的计算结果。

无花果。 4. Total (membrane and bending) stresses at the first (a) and fifth (b) mesh levels using the 压力推断程序

Pass / Nozzzle-Fem的版本2.16在2018年12月发布,提供了一种新的方法 “在交界处” 偶尔的计算导致用户在焊接区域中计算压力的误解。当管道在结壳区域(点“中时)通常使用”结合“选项。i“在图1中。 5)。管道计算模型通常在壳体的外表面上结束,并且在此点获得喷嘴上的计算载荷。

无花果。 5. “In Junction” calculation model

在2.16之前的版本中,可以采取最小的喷嘴计算长度来构建FE模型。版本2.16后, 喷嘴长度由足够的灵活性的条件确定:

(2)

这允许工程师考虑与管道和外壳之间的“柔性”连接相对应的接合区域处的椭圆形,并且已经从许多场测试中获得。在版本到2.16,当“在结”选择,所采取的最小长度首先导致管道的更刚性的结到壳体和第二到不正确的判定的结面积,因为边缘效应可能在出现的应力的加载喷嘴上的应用点(图。 6).

无花果。 6. Distribution of total equivalent stresses on the outside surface:
a)L =30мм - 从负载应用中定义明确的边缘效果;
a)L =50мм - 喷嘴的短长度,落在负载应用的边缘效果的区域内;
c)在式(2)获得的喷嘴长度处。

无花果。  图7表示允许轴向力中的变化曲线 Fy 取决于喷嘴长度 L1,这表明,在接线区域,距离小于100 mm,从负载应用点出现边缘效果。给出了倾斜喷嘴的计算结果,其中内径为203 mm and 6 MM厚度连接到圆柱形外壳中,内径为2000 mm和厚度为12 mm (Fig. 7).

无花果。 7. A change curve in the allowable axial force Fy 取决于喷嘴长度 L1 for a tilted nozzle in the cylindrical shell

计算强度时,PASS / NOZE-FEM软件会自动将用户指定的负载转换为静态等效的负载,对应于具有长度的部分 L1 = L (Fig. 5).

新型的喷嘴连接点

内核的重新加工,以及用于实心建模的最新C3D几何内核的使用使得具有诸如珠子和焊接环形插入的几种新类型的连接(图。 8)。因此,用户现在可以使用Pass / Nozze-FEM程序模型标型标记和印模焊接喷嘴。

无花果。 8. Nozzle with welded-in toroidal insertion

新轴承元素

与通过/装备不同,Pass / Nozze-Fem没有提供与第二端(偏心过渡)的位移提供锥形过渡,这是由于与其在程序的旧内核中实现的复杂性相关的困难 (Fig. 9).

无花果。 9. Total (membrane and bending) stresses in a conical shell with displacement of the second end

许多用户还要求将扁平矩形盖添加到程序中,可以将结模拟到风冷的热交换器(ACHE)盖子,立方体壁等。这些元件现在已被添加到列表中计算模型(图。 10).

无花果。 10. Total (membrane and bending) stresses in a rectangular vessel with nozzle

负荷

为了更正确地模拟实际负载,已经添加了一种选择来设置垂直血管和罐的计算所需的静液压,尽管可以为其他类型的壳体设定该负载(图11)。静液压压力现在沿垂直轴线线性变化,其中最大值在模型的最低点的水平处确定。对于垂直血管(罐),这对应于头部的水平。

无花果。 11. Membrane stresses from hydrostatic pressure in a vertical vessel

热应变是对计划2.16的另一个流行和基本的补充。这允许在温度的影响下考虑结构元件中的材料的膨胀(变形),以及由受约束温度变形产生的任何额外应力(不同的线性膨胀系数,温度等)。

无花果。  图12A示出了具有0.5MPa的内部压力的椭圆头中等效应力的分布。最大应力值为86.6 MPA。例如,壳体和喷嘴上的材料设置在不同的线性热膨胀系数,头部上有不同的温度(200 °С)和喷嘴(220 °С)。这将产生温度变形约束,结应力将大幅增加(图12B)在喷嘴区域中的最大应力值为118.5 MPa.

无花果。 12. Total (membrane and bending) stresses in the elliptic head under the influence of:
a)内部压力; b)内部压力和温度

考虑温度效果的能力也能够更好地遵守法规要求。例如,对于ASME BPVC.VIII.2,应在检查“二次膜加膜”类别的等效应力时考虑材料的热膨胀。在GOST 34233.1-2017中,在用公式(12)检查时,需要考虑由温度的影响产生的额外应力:

或者在用公式(13)的温度计算的同时,允许应力由长期强度或蠕变的限制定义:

在版本3.0中添加了在单个项目中设置多个负载箱的功能,并在3.0中添加了所有负载箱的分析。从版本3.1开始,程序还可以对所有代码/规则进行测试和安装条件进行分析。

代码 更新

在新版本内核的开发和改进中,还重新改写了根据各种监管文件的强度验证模块,这提供了相当灵活,快速处理更新版本的不同代码。结果,该计划现在符合要求

  • Asme bpvc.viii.1, 2‑2017,
  • EN 13445-3:2014 (E) Issue 4 (2017‑07),
  • g 342233.1, 6, 10-2017.

路线图

关于未来,传递团队设想通过/喷嘴-Em作为压力容器的交互式建设者一方面,作为可能的嵌入式解决方案,与通过/装备和通过/开始 - 教授程序集成直接在他们的环境中计算联盟和TEE。

另一种可能性是两个软件解决方案将同时可用:一个单独的程序,具有创建复杂模型的高级选项,以及当前版本的相当于当前版本,选择在其他软件中将其嵌入其中。两者都会比现在更具功能和互动。

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Alex Matveev.

Alex Matveev.是管道应力分析代码GOST 32388-2013工艺管道的作者之一,以及GOST 55596-2013区域供热网络。他也是开发人员之一 通过/启动 - 教授 自1965年以来开发的软件,在俄罗斯和独联体国家的95%的过程,电力,区供暖,天然气和石油运输设计公司中使用;它是该地区的行业标准。 他是通过/开始 - 专业管道应力分析软件开发团队的负责人。此外,他为他们的软件的用户提供了技术支持和培训,该软件的数字已经3000多,自1965年以来,在2017年的几个国家的工业标准,2017年翻译成英文,从国内市场出来,并开始销售自2018年以来的国际市场。

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