Ansys在压力容器行业的典型应用（上）
摘要
本文综述了压力容器在不同工况下的强度、刚度和安全性分析，利用仿真技术有效优化罐体结构，定量分析球罐在多重载荷下的应力分布和变形，验证外压容器稳定性。Ansys技术提升井下操作密封性，精确评估螺栓连接和法兰连接性能，优化阀门设计和管路冲蚀分析。此外，Ansys还用于模拟水力压裂和跨接管道设计，预测故障并优化性能。文章强调仿真技术和Ansys软件在压力容器工程问题中的重要性。
正文
压力容器整体强度、刚度分析
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。✓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
压力容器三维模型，接触连接关系，内压、风、雪载荷。✓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
✓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。压力密封提高安全性
‐ 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‐ 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‐ Ansys Mechanical Enterprise + Ansys CFD Premium螺栓
- 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‐ 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‐ Ansys Mechanical Enterprise法兰连接接触分析
压力容器法兰螺栓螺纹疲劳寿命分析
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。✓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
‐ 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‐ 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‐ Ansys Mechanical Enterprise + Ansys CFD Premium + HPC pack高压阀门的优化分析
阀门三维几何模型，材料参数，约束及内压16MPa，输入输出参数。✓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
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。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
‐ 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。‐ 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。‐ Ansys CFD Premium + Ansys Mechanical Enterprise + HPC pack水力压裂
‐ 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‐ 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‐ Ansys CFD Premium + Ansys Rocky + HPC pack跨接管道
‐ 海底中流致振动 (FIV) 和涡流诱导的振动(VIV)‐ 能够帮助预测 FIV, VIV, 分析疲劳和工资造成的故障‐ Ansys CFD Premium + Ansys Mechanical Enterprise + HPC pack
