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能源石化

一、Abaqus在核工业中的应用

Abaqus是国际著名的CAE软件,它以解决实际工业问题能力和强大的非线性功能赢得广泛声誉。核工业是Abaqus最重要的应用领域之一,对其中很多复杂和特殊的问题,如疲劳断裂、复合材料损伤、接触连接、金属塑性、混凝土本构等,在所有的CAE软件中,Abaqus是最有优势的。

1. 核反应堆结构热应力分析
核反应堆结构在温度载荷作用下会产生热应力。Abaqus具有强大的热固耦合分析功能,包括:稳态热传导和瞬态热传导分析,顺序耦合热固分析,完全耦合热固分析,强制对流和辐射分析,热界面接触,热电耦合等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型,来模拟金属、石墨、聚合物、复合材料等工程材料的热学和力学性质。
Abaqus包括51种纯热传导和热电耦合单元,83种隐式和显式完全热固耦合单元,覆盖杆、壳、平面应变、平面应力、轴对称和实体各种单元类型,包括一阶和二阶单元,为用户建模提供极大的方便。

2. 预应力混凝土压力容器安全性分析
预应力混凝土结构是由普通钢筋混凝土结构发展而来,是预应力钢筋混凝土的简称,它对减轻结构自重、提高抗震能力、充分发挥材料的强度、降低工程造价、改善结构构件受力性能和扩大钢筋混凝土使用范围等方面,都显示出良好的效果。已广泛应用在包括工业与民用建筑、桥梁、轨枕、压力管道、电杆、桩、储液和储气池罐等方面,如大跨度预应力混凝土屋架,屋面板,整体式或拼装式的公路与铁路桥梁,此外,在矿井支架、海港码头、水压机架、岩体加固和水泥船等方面也广泛应用。
该项目由美国核管理委员会(NRC)和核动力工程公司(NUPEC)组织并资助,用于研究核容器在超过设计压力时的性能。该项目包括几个阶段,其中一个阶段是将预应力混凝土压力容器(PCCV)结构内压加到失效状态,在55个标准的输出位置预计变量的演化过程。核容器设计压力: 0.39MPa; 线性增加到 0.78MPa; 高度非线性 (开裂): 0.78MPa 到 1.4MPa。Abaqus拥有复杂的混凝土损伤模型,灵活的Rebar单元模拟钢筋,高精度非线性求解,对大规模三维模型进行并行计算等功能来完成该项目的模拟。下面参加该项目的单位全部选择了Abaqus作为分析工具。

3. 核燃料跌落模拟
美国能源部爱达荷国家工程与环境实验室(INEEL)长期使用Abaqus有限元软件,其中一个重要问题是采用Abaqus模拟压水式反应堆中燃料棒束在假设的事故下发生跌落而产生的可能破坏。在该结构中,204个燃料棒捆绑在一起并由多个金属支撑网固定。求解器采用Abaqus/Explicit进行分析,问题难点包括燃料棒、支撑网和刚性地面之间复杂的接触定义,运用Explicit中的通用接触(General Contact)可以简单方便地完成接触定义而无需一一指定接触对,分析结果被高精度实物试验所验证。此外Abaqus/Explicit中还提供了10结点的修正四面体单元,可以实现对几何形状复杂的结构快速划分网格和并达到高精度模拟接触应力的要求。

4. 核电站地震响应分析
俄罗斯Atomenergoproekt研究所使用Abaqus有限元软件模拟核电站在地震载荷、空气爆炸、飞行器碰撞等特殊动力冲击下的响应谱,确保结构的安全性。由于核电站结构存在复杂的振动模态形式,采用三维有限元的计算结果比原来采用的基于梁理论的分析方法更加贴近实际。Abaqus/Standard有完整的频域动力学解决方案,包括:自振频率提取,模态动力学,基于模态和直接积分的稳态动力学分析,随机响应分析,响应谱分析等等。以上所有分析可以基于线性或者非线性的状态进行(如考虑结构预载荷的频率提取分析),通过step by step的分析方法来实现多步骤的分析。结构基础的位移,速度或加速度可以设置成随时间变化(模态动力学)或随频率变化(稳态动力学)。配合Abaqus/Explicit时域动力学的分析方法,可以为该类振动和冲击问题提供完整的解决方案。

5. 核废料箱中氢的自燃或自爆的研究
由于完全处理核废料迄今还没有妥善办法,就只能设法安全储藏。现有的技术可以保证上千年的安全储藏,但是必须该储藏地是地质上非常稳定的。如果在这些废料的存储过程中没有经过妥善处理,或者储存核废料的设施发生严重老化,这些核废料完全可以在空气中自燃,一旦遇水就会发生爆炸。自燃或自爆将导致存储容器在压力载荷下瞬间发生较大变形,同时,由于剧烈的温度变化还会导致容器材料迅速失效,影响整体结构的性能,甚至造成灾难性后果。

二、Abaqus在石化行业应用

Abaqus软件可以同时处理各种线性和非线性、静力和动力问题,所以Abaqus对石化行业进一步提高分析能力具有得天独厚的优势。所以,在各个方面都预示着,Abaqus在压力容器的设计制造等各个环节将发挥重要作用。

1. 接管处强度分析

2. 塔的模态分析

由于壁厚为16mm,与此结构的特征尺寸,圆柱的直径相比很小,可以用壳单元来模拟。塔直径的尺寸与塔的高度相比也很小,此结构也可以用梁单元来模拟。以下分别为为用壳单元和梁单元模拟的模型和结果。


 

3.焊接过程的分析

Abaqus可以考虑喷枪位置的变化、焊料的渗透、焊接的参数(电流、电压、喷枪速度等)及随微观结构变化的材料属性等。

4. 储液罐罐壁变形分析
利用附加质量分布规律的公式和有限元单元模型,通过Abaqus软件对储液罐动力试验模型进行数值模拟。通过分析对比弹塑性屈曲“象足效应”和“钻石效应”的实验数据,证明有限元分析的合理性和有效性,并分析出经验公式在分析动水压力问题上的缺陷。模拟中考虑储液罐壁动力响应加速度的方向对液体惯性作用力的影响,从而更加准确地模拟了储液罐壁与液体的相互作用问题。Abaqus为储液罐结构的抗震性能分析,提供完整的解决方案。

5. 扩管分析
在几千米下的油气井中进行钢管的扩张已经成为整个油田届的技术革新。通过Abaqus的模拟可以展示出,扩管过程导致的变形和塑性应变,这些可能会引起管道的损伤甚至破裂。通过模拟得到的这些信息可以为工程设计人员在进行扩管前修正装备和设计实验室内的试验来评估这一过程。

三、风电行业的应用

针对风电制造领域关注的各种线 性、非线性、接触,模态等静力,动力学问题,作为世界上最优秀的非线性分析软件Abaqus有针对性的提供了
相应的分析解决方案。Abaqus 的有限元分析能力已经被全球知名风机制造商及其相关项目服务商,科研单位检验并得到了广泛的认可。

1. 风机机舱底座 
风机机舱底座的静力和疲劳分析。风机的机舱座用于支撑主轴承箱以及其它的部分例如液压传动部分和主变速箱。主轴焊接在框架结构的前部,采用Abaqus 测试风机机舱底座同其他构件在焊接部位的疲劳特性以及在极值荷载下的风机机舱底座变形和验证其极限强度。

2. 齿轮箱及其零部件的设计验证分析 
风电系统的失效率 12%来自齿轮箱的失效, 大约是工业齿轮箱平均失效机率的两倍。齿轮箱的失效是导致故障时间、维修和产量减少的主要原因,一般其损失要占风电设备总价的 15%~20%。其中齿轮和轴承误差对于失效的影响最大。

3. 风机叶片设计分析 
风力发电机组要获得较大的风力发电功率,关键在于要有能轻快旋转的叶片,叶片的翼型设计结构形式,直接影响到风力发电装置的性能和功率,同时叶片又是风力发电机中的核心部分, 风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键,目前的叶片已经发展到采用各种复合材料进行设计,Abaqus中丰富的材料库可以适应目前风机叶片设计中考虑的各种材料, 优秀的非线性分析能力使得考虑各种材料的非线性分析。 同时可以应用脚本语言设计用户所需要材料的子程序,自动建模分析计算。

4. 风力发电机轮(桨)毂应力应变分析 

轮毂是风力发电机中连接主轴和叶片的关键部件,承担抵抗风载、传递转矩
的作用,其结构和受力变形复杂,对轮毂进行精确的强度分析尤为重要。为此轮毂要有足够的强度和刚度,以保证机组在各种荷载下能够正常的运行,而且还要保证机组在遭受一些恶劣的外部条件,如台风或者暴风袭击影响时的安全性。由于轮毂结构的复杂,利用经典方法难以准确分析和评估轮毂应力分布,在设计中只能通过经验或者参考资料进行计算, 应用有限元能够得到较准确的应力应变分布,以及最大的应力位置,并且能够很方便的对结构进行修改以及分析和优化。

5. 风机塔以及焊接门的模拟 
塔架设计是风力发电机组设计中不可缺少的一部分,其重要性随着风力发电机组的容量和高度的增加和而增加, 塔架类型一般有钢制或者混凝土制的桁架式或者管状。目前主流的是钢制管状式塔架,它在受到各种固定作用以及自身重量的同时还要受到各种风况下的风荷载作用,因此塔架必须有足够的刚度,强度和稳定性来承受这些力的作用。

6. 风机螺栓部位连接分析

风力发电机作为一种精密设备,长期在自然条件较差的野外运行,要保证风
机的长时间有效工作,就必须关注风机上的每一个细节,风机的外观主要由四个部分组成:塔架、机舱、轮毂、叶片。而这四个部分都需要靠螺栓来进行连接,同时在风机和基础也需要进行螺栓连接。因此,在风机的安装过程中,螺栓紧固效果的好坏将直接影响到日后风机的正常运行和发电效率——尤其是塔架、 机舱转向座轴承和叶片等关键部位的螺栓。进行螺栓分析必然涉及到接触。接触是一类高度非线性的问题,Abaqus  作为世界上最强大的非线性分析软件能够提供多种算法进行接触问题模拟,并且单独设置了Interaction 模块,可以精确地模拟实际工程中存在的螺栓接触和连接问题,可以很方便的进行接触对的定义。