使用Ansys进行管道仿真:快速介绍

从结构分析的角度来看，管道是一种细长的结构，其管状截面沿长度方向可以很长。梁也可以有管状结构，但大多数梁或柱用于强度目的。管道的主要功能是输送流体和气体。输送的液体/气体可能是热的，在高压下，也可能是粘性的。我们希望使用最小的管道厚度来节省材料，同时仍然满足温度和压力要求。

设计管道系统的工程师通常依赖于专门的分析工具。这些利基工具简化了从管道系统几何形状的创建到每个行业代码的最终输出的过程。对于日常管道设计师来说，它们是高效的。然而，对于结构设计工程师来说，遇到管道结构或管道几何是相对简单的。那些专门的工具可能是多余的。此外，当涉及到更详细或更高级的分析时，这些工具也存在观察到的局限性。

Ansys机械，被称为通用有限元程序，提供了一套技术和工作流程，使管道分析成为一项简单的任务。一些功能(联系人、详细建模、混合模型)超出了典型管道软件所能做的。

在这篇博客中，我想给大家简单介绍一下我们在管道分析方面的一些技术和特点。首先，让我向大家介绍三个元素:pipe288、pipe289和elbow290。Pipe288为三维2节点管，pipe289为二维3节点管，elbow290为三维3节点弯头。纯粹通过名称，您可以看出弯头元素用于弯头(根据管道术语)。

PIPE288和PIPE289可以处理薄壁和厚壁(甚至实心圆形)截面。对于厚壁选项，采用全三维应力状态。

PIPE288和PIPE289只接受圆形截面。在变形过程中，截面将保持圆形(即，只允许均匀径向膨胀)。因此，“PIPE288”和“PIPE289”只能用于直管段。

另一方面，ELBOW290允许初始非圆形截面，并考虑一般截面变形，包括卵化，翘曲和非均匀径向膨胀。凭借这些先进的功能，ELBOW290适用于可能发生大截面变形(例如截面坍塌)的弯道和直管段。

Pipe288/289元素可以考虑附加质量(内部流体质量)、流体力学附加质量(外部流体)、波浪载荷和浮力效应。管道与地面的接触(如海底铺设的管道)和管道与管道的接触(如PIP)也可以解决。

现在让我们来看看Ansys机械中与管道分析相关的一些基本特征。请注意，Ansys Workbench Mechanical只暴露了管道功能的一个子集，但您始终可以插入命令片段或使用MAPDL来探索完整的功能。

几何:

从几何开始，你需要一个“线体”(Ansys术语)的管道和分配管截面。如果你在Ansys中建立一个几何体的预处理工具，如Ansys SpaceClaim或DesignModeler，这非常简单。如果你的几何图形已经在其他工具中预先构建，那么你可以把它们带到Ansys spacecclaim中。如果它只是线条，那么你可以简单地创建一些横截面并分配给它们。如果它以卷的形式出现，您可以利用“光束提取”工具自动将卷转换为线加横截面。一旦你加载几何在Ansys机械指定“模型类型=管道”。

网格和材质:

网格划分和材料规格与您在基于固体的结构上工作没有什么不同。您还可以分配与温度相关的表格属性(如刚度)。

加载与约束:

内外压，温度。“线路压力”可用于施加外部负载(如覆盖层负载)。

“管道理想化”是做什么的?它用于将选定的管道元件转换为弯头元件，这对于弯曲管道尤其重要。由于“Pipe Idealization”使用的是elbow290元素，这是求解器级别的二次元，因此在网格划分时请确保保持中间节点。

后期处理:

对于常见的项目，如轴力，弯矩或剪力，这些可以通过“梁结果”访问。额外的输出，如环向应力，内部/外部压力可以使用“解决方案”->“工作表”->“创建用户定义的结果”访问。

您可以使用这些结果并进行一些结果组合，并与管道手计算电子表格进行比较。但我们为你准备了一些简单的东西。

对于从事气体输配管道系统的人员，应熟悉ASME B31.8。对于其他人来说，它基本上是关于如何处理计算应力并将其与规范规定的允许值进行比较的要求。我们有一个Ansys ACT应用程序!只要去Ansys应用商店并下载一个扩展名为ASME管道校核。它可以节省你一些时间。这是一个快照。

最后，我想强调Ansys管道仿真的一个独特之处。我称之为“混合模式”。您可以在一个系统中组合线，面和体积结构。通过这种方法，您可以研究具有某些管道部件的整体结构，以及管道与其他部件之间的相互作用。我在这里包括了一些使用“混合模型”的快照。

请订阅Ansys博客为今后管道仿真与建模的讨论提供参考。