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2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为...
2020 - 09 - 16
作者:陈诗佳  上海交通大学-巴黎高科卓越工程师学院谢文丽  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1755字,阅读时间预计6分钟编者按作者使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟,对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。研究目的随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化,各种环保处理工...
2020 - 09 - 09
作者:吴华春  上海安世亚太结构应用工程师本文共计1042字,阅读时间预计4分钟编者按作者挑选了一个简单的球型拉伸模,来观察此模具在不同加载速度下可承受的等效应力值,以此判断相同时间内,该模具最快可加工多少产品。此模拟仿真案例可为企业生产效率及经济效益的提高提供相关的思考。概述在现代工业生产中,效率始终是各行各业考虑的要点,尤其对模具行业来讲,效率更是重中之重。同样的产品、模具和工艺,如...
2020 - 09 - 02
作者:高征宇 上海安世亚太流体应用工程师本文共计1709字,阅读时间预计6分钟编者按作者利用ANSYS Icepak和SIwave的双向耦合技术,分析了PCB的布线导热率分布、铜线焦耳热及其温度对导热率的影响,以此得到与真实情况最为相近的结果,用于评估发热问题。此方法可为企业设计与生产节约大量的时间及产品成本。印刷电路板(Printed Circuit Boards,以下简称PCB)是由绝缘介质(...
2020 - 08 - 26
作者:李桂花  安世亚太结构应用工程师本文共计422字,阅读时间预计2分钟编者按作者利用ANSYS单元的生死功能,通过修改单元刚度的方式,模拟出牛郎织女七夕节鹊桥相会的场景,让仿真充满生活气息,趣味十足。今天教大家用ANSYS单元生死技术做一个高端大气上档次的鹊桥相会。操作步骤第一步:建模模型很简单,一座拱桥,两颗爱心。第二步,画网格选择插入method,选择Body Fitted Ca...
2020 - 08 - 19
作者:谢文丽 上海安世亚太流体应用工程师本文共计2074字,阅读时间预计7分钟编者按作者使用工艺尺寸链计算软件——PDCC,一键计算,高效准确,解决了传统计算方式难以解决的问题,在生产阶段大幅度提高了工作效率。工艺尺寸是根据加工条件,在工艺规程中给出的尺寸,是为了保证零件图纸的尺寸而设计的。如果工艺尺寸设计不合理会直接导致零件加工不合格,因此对于复杂的轴类及箱体类零件、易变性零件等而言,保证工艺尺...

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ANSYS在钢结构分析中应用示例 — 风电导管架结构分析
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ANSYS在钢结构分析中应用示例 — 风电导管架结构分析

介绍

随着陆地风电的开发日趋饱和,近年,我国海上风电场的开发力度已逐步加大,海上风电场的开发将逐渐由近海走向远海,水深也将日益加深。导管架基础由于其跨度大,承载性能好,海上施工周期短等特点,在风电场已得到了较为普遍的应用。


针对于海上导管架结构的设计计算,常用的专用软件有SACS,SESAM等。但由于风电导管架基础不同于海上油气平台的常用结构形式,风电导管架同风电机组的塔筒之间需要一个过渡段来传递载荷,过渡段的结构通常设计成一个大直径的钢筒,通过四根变截面的锥形斜撑与四个导管腿相连接。


另外,由于过渡段是传递载荷的关键部位,设计中会对过渡管圆筒进行内外加强,主要的方式为在法兰和圆筒与四个斜撑的连接点之间焊接一环形的加强环结构和内部进行加筋设计。SACS, SESAM等软件的常规的梁系单元不足以模拟这部分结构的实际应力分布,而ANSYS软件可以通过先进行整体计算,再将导管架过渡段处局部模型独立出来单独进行网格细化,通过建立子模型的方式进行局部细化计算,很好的解决了这个难题。


本文将描述某风电场一典型的四腿导管架基础过渡段进行的静力分析,及其焊接热点位置进行的疲劳计算,如下图1所示:

ANSYS DesignXplorer参数化优化在水冷板流道设计中的应用

图1:某风电场四腿导管架基础示意图


2、导管架基础静力分析


2.1 有限元模型

本文主要目的是介绍ANSYS在上部过渡段结构的应用和分析,因此实际计算中不考虑导管架的风,浪,流等载荷的作用。仅考虑极限状态时由上部风电机组传递过来的载荷,即风电基础塔筒在法兰连接处的反力。


静力分析根据规范DNV-OS-J101推荐的载荷系统和工况进行,本文以某风电场3.2MW风电基础极限载荷为例将其施加在过渡段上的连接法兰处。同时为简化计算,便于比较,直接将导管架四个腿底部桩腿进行约束,如图2所示:

ANSYS DesignXplorer参数化优化在水冷板流道设计中的应用

图2:导管架模型,载荷和约束


2.2子模型 


根据DNV-RP-C203中建议的方法,对网格进行了细化,使细化的单元网格尺寸等于或小于靠近关键焊缝的板厚尺寸。网格主要使用高阶节点二次单元(solid186),材料特性和整体模型一致。

ANSYS DesignXplorer参数化优化在水冷板流道设计中的应用   图3:塔筒连接过渡段子模型和其细化网格


ANSYS DesignXplorer参数化优化在水冷板流道设计中的应用

图4:导管架连接过渡段子模型和其细化网格


2.3极限强度计算


通过给予的顶部极限工况下的反力,通过坐标变换后施加在图2中的MPC约束位置,可以得到极限强度工况下的导管架整体应力分布和子模型细化后的局部细化应力分布,见图5,~图8,通过比较可知:


1.应力集中区域分布整体模型和子模型结果一致;

2.子模型应力分布区域相比整体模型更大;

3.子模型应力分布趋势相比整体模型圆滑,分布趋势更为合理;

4.子模型应力结果大于整体模型应力结果,且应力值提高近2倍;


可见,子模型可以得到更为精确的计算结果,且其结果更能反映实际的应力分布情况。

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图5:整体应力和子模型应力


ANSYS在钢结构分析中应用示例 —  风电导管架结构分析

图6:导管架过渡段厚度变化处整体应力和子模型应力


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图7:顶部法兰加强环局部整体应力和子模型应力


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图8:锥形斜撑连接处整体应力和子模型应力








3、热点疲劳分析计算


3.1 疲劳损伤计算理论


疲劳分析根据DNV-RP-C203推荐的方法,采用线性疲劳损伤理论Miner准则:

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式中,D为累积疲劳损伤比,ni为实际发生的应力循环次数,Ni为许用的应力循环次数。η为对应的利用率系数。该系数取决于所选的安全系数,根据规范推荐,对于处于大气区的导管架过渡段,安全系数取2.0,即η=1/2。


疲劳损伤S-N曲线按DNV-RP-C203推荐的进行,不同位置选取的S-N曲线推荐如下:

ANSYS DesignXplorer参数化优化在水冷板流道设计中的应用

通过以上给定的S-N曲线,根据实际计算的应力幅和S-N曲线公式可以得到等效疲劳载荷相应的循环次数,从而计算出疲劳损伤。以上公式取107次循环所应的参数进行。


S-N曲线计算表达式如下:

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S-N曲线对应的参数如下:

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3.2 热点疲劳损伤计算


根据强度的计算结果,热点位置一般为应力集中区域,选取以下两个热点位置作为此次疲劳损伤计算,其他热点位置可以按相同的方式进行。

热点位置1:50mm 至8mm尖端处,热点位置2:加强环连接焊缝

 

ANSYS DesignXplorer参数化优化在水冷板流道设计中的应用

图9:疲劳分析热点位置选取


根据规范的推荐做法,将不同载荷作用下的疲劳热点处的外推应力进行汇总和整理,在ANSYS进行工况累积,计算出热点位置的最大应力幅,根据应力幅和选取的S-N曲线计算热点处的疲劳损伤。本例中所选热点位置应力计算如下图:

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图10:热点位置的应力幅计算结果


表1:热点位置疲劳损伤计算结果

热点位置

选取S-N曲线

累积损伤

剩余强度系数

结果判定

50mm 至8mm尖端处

DNV-D curve

19.734

0.378

高损伤

加强环连接焊缝

DNV-D curve

4.691

0.578

可接受


4、结论


通过利用ANSYS中子模型细化计算的功能,在对风机导管架基础整体受力分析的基础上提取出过渡段关键部分的结构,建立子模型,通过子模型进一步的细化网格,优化了有限元模型,得到了较为精确的计算结果。


相比较于风电行业中的专业的梁系分析软件,ANSYS对于这种存在集中应力问题的结构更具备优势,对于后续的设计优化能够提供更为精确的输入参数。



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2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为偏远地区配制一套过滤系统以提供洁净的饮用水,工程师都需要考虑液体、固体和气体之间的相互作用。在这些不尽相同的多相流应用中,每一种仿真都需要不同的建模方法。40多年来,ANSYS开发了可以精确模拟多相流的仿真工具,已经被广泛运用在各个工业领域,以预测产品性能。精确的多相流仿真依赖于精确的物理模型精确的多相流模拟依赖于各相之间的机械、热和化学相互作用的精确预测,但是观测这些物理过程成本高昂甚至会遇到难以观测的问题。现在,工程师可以依靠多相流建模与仿真技术,深入了解并掌握提高效率、产量、安全性、可靠性的要素。■ 多相流模拟可以展现随地点位置变化的流型状态。例如,油气井底的流型可能完全是单相液体,但随着高度升高,气泡逐渐生成,流型会过渡到多相状态。因此在此类物理过程中,在不同的地点位置需要设置不同的多相流模型。■ 多相流模拟比单相流模拟的难度更高。完整描述多相流需要求解每一相的质量、动量和能量方程以及各相之间的相互作用。由于物理现象的多样性和多种流型同时存在的可能性,各相之间的合理模拟变得至关重要。▲ 油气井底部可能完全充满液体,但在上升过程中,压力下降,由于溶解气体析出,流型将过渡到气泡流。油气井仿真需要多种多相流模型精确的模拟不同井深处的特殊流型。自由表面流自由表面流包括两种或更多种不混溶的流体,每种流体被假定为在大部分流域具有连续性特征。每种流体有明显可识别的流动...
2020 - 09 - 16
作者:陈诗佳  上海交通大学-巴黎高科卓越工程师学院谢文丽  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1755字,阅读时间预计6分钟编者按作者使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟,对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。研究目的随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化,各种环保处理工艺可以说是百花齐放。但由于环保处理的对象具有极其复杂的来源,因此各种工艺和设备的处理效率仍需不断提高。这里就针对有机质固废集中处理中心的敞开式处理车间(低浓度臭气)和封闭罐装设备(高浓度臭气)的环境通风系统做一个评估。■ 处理车间的臭气产生量与处理废弃物种类、处理量、停留时间有关,这种环境下空气的换气率指标是有相应标准限定的。■ 对于封闭罐装设备来说,高浓度臭气的产量与种类、储量、时间、压力、温度等参数相关。有了这些基础数据以后,一般通风系统的管道布置设计就可以开始了,同时可以进行风机选型。由于垃圾处理中心处理的种类随着季节、处理量而变化,通风系统需要随之重新改造或升级。因此,对现有通风系统的评估和改造是相关企业经常面临的事。本文使用集成CFD程序的一维管网系统设计软件——Flownex,对垃圾处理中心的通风管路系统的局部管线进行模拟,评估现有运行参数下每一个吸风口的风量,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。Flownex软件简介Flownex是一款优秀的一维管网系统热流体设计、优化软件。■ 它在电力、核能、化工、船舶、燃机、建筑、天然气管网、航站楼飞机供油管路系统等领域都有广泛的运用。■ 它含有丰富的过流元件(图1所示)(如管道、阀门、换热器)、流动控制元件、动力元件(风机、水泵、压缩机、锅炉、燃烧室、核电反应堆等)、从动元件(汽轮机...
2020 - 09 - 09
作者:吴华春  上海安世亚太结构应用工程师本文共计1042字,阅读时间预计4分钟编者按作者挑选了一个简单的球型拉伸模,来观察此模具在不同加载速度下可承受的等效应力值,以此判断相同时间内,该模具最快可加工多少产品。此模拟仿真案例可为企业生产效率及经济效益的提高提供相关的思考。概述在现代工业生产中,效率始终是各行各业考虑的要点,尤其对模具行业来讲,效率更是重中之重。同样的产品、模具和工艺,如果模具的速度加载更快,那就意味着同样的时间范围内,可以生产出更多产品,经济效益就会更好。但是模具加载速度越快,对模具的承载要求也就越高。本文对一简单球型拉伸模进行不同速度的加载,来测试模具承受的等效应力。模具工况图-1 模具图■ 采用有限元对模具应力仿真,为了考虑到整个模具,此处对凸模和凹模分别进行分析。■ 另外,拉伸件是对称件,仅采用1/4模型进行模拟,对称边采用约束定义。■ 本次模拟采用Lagrangian incremental法,仅考虑Deformation,模拟步数为6,1步保存1次,进行模具静力分析。■ 在DEFROM中,冲压成形工艺。如果考虑模具受力问题,把模具设置为柔性件,不仅需要设置材料,而且需要进行网格划分。■ 但是此处不需要考虑板料变形,因前面已经分析了板料成形问题(即分别在冲压速度为10、50、100mm/s的情况下进行仿真分析),其计算结果的加载力如图-2所示。图-2 不同速度下凸、凹模加载力模具材料类型采用弹性模型,温度设置为20°C,材料采用Cr12,即AISI D3钢,密度为7.8e-9mm3/kg,杨氏模量为206754MPa,泊松比为0.3。材料曲线如图-3所示:材料曲线描述了不同加载速度下,考虑应变率效应,对不同应变率下参数的调整。此曲线仅供参考。图-3 Cr12材料曲线利用DEFORM前处理中...
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