MC1226

Применение nCode DesignLife 8 0Применение nCode DesignLife 8.0(Crack Growth Analysis)

для анализа роста и распространениядля анализа роста и распространения трещин в магистральных нефте- и

газопроводахгазопроводахКабанов Юрий,Кабанов Юрий,

ЗАО «КАДФЕМ СиЗАО «КАДФЕМ Си--AAйй--ЭсЭс»»ЗАО «КАДФЕМ СиЗАО «КАДФЕМ Си--AAйй--ЭсЭс»»

МАСТЕР-КЛАСС №МС1226

Введение

Эффективность применения современных средств компьютерного анализа на стадиях разработки, проектирования и изготовления сложных технических систем, в частности промышленных конструкций, уже ни у кого не вызывает сомнения.

Одной из наиболее важных областей практического применения расчетных технологий ANSYS является численный анализ методом конечных элементов (МКЭ) сложного нелинейного напряженно-деформированного состояния (НДС) и оценка прочности промышленных трубопроводных систем с учетом их многофакторного нагружения и данных технической диагностики.

Опыт решения этих задач наглядно показывает, что для широкого внедрения разработанной технологии в производственную практику газотранспортных предприятий необходимы создание и реализация программных процедур, позволяющих максимально автоматизировать построение расчетных моделей трубопроводных систем, задание нагрузок и граничных условий, управление расчетом и обработку результатов численного анализа.

И й бИспользование данных процедур, с одной стороны, существенно снижает время, необходимое для анализа конкретного участка трубопровода, исключив при этом возможные ошибки пользователя; а с другой — дает возможность специалистам, связанным с эксплуатацией и техническим контролем состояния и безопасности газопроводных систем и не имеющим достаточного опыта в области численного моделирования, быстро освоить и эффективно применять данную технологию.

Введение

В настоящее время в связи с сокращением числа вновь вводимых в эксплуатацию нефте/газопроводов, наиболее важной проблемой магистрального трубопроводного транспорта нефти/газа, является снижение возможности возникновения их аварийных разрушений. Актуальность данной проблемы связана с относительно высокой частотой о азо а с ра еф е/ азо ро о оотказов магистральных нефте/газопроводов.

Наиболее опасным видом для линейной части трубопроводных систем, обеспечивающих магистральный транспорт, является коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) металла, зарождающееся на внешней катоднозащищенной поверхности труб.

В последние годы одной из основных проблем в магистральном транспорте газа стала проблема КРН металла труб. Поэтому в работе основное внимание уделено рассмотрению вопросов идентификации, прогнозирования и диагностики этого вида разрушения трубопроводов, которое проявляется в виде повреждения металла, подверженного одновременному воздействию растягивающих механических напряжений и коррозионных сред, путем зарождения иодновременному воздействию растягивающих механических напряжений и коррозионных сред, путем зарождения и развития коррозионно-механических трещин.

Специализированное программное приложение nCode DEsignLife 8.0 for ANSYS 14.0 позволяет в полной мере проводить разнообразные расчеты анализа усталостной долговечности трубопроводов с учетом различных дефектов, как на основе выполнения прямых расчетов на МКЭ моделях так и аналитически с использованием специальногокак на основе выполнения прямых расчетов на МКЭ-моделях, так и аналитически, с использованием специального инструмента Crack Growth и законов распространения и роста трещин (NASGRO, Forman, Paris, Walker). Также имеется встроенная библиотека типовых дефектов (Crack Growth Geometry).

Описание задачиВ данном видеоуроке рассматривается участок трубопровода (диаметр 1420 мм, толщина стенки 20мм), погруженный в многослойный грунт, транспортирующий некоррозионно-активные продукты (природный газ, нефть и нефтепродукты) при избыточном давлении 9,8 Мпа (100 кгс/см2) и температуре от -60 до +50 С.

Цели мастер-класса:

1. Полный расчет выбранного участка трубопровода, длиной 100м при рабочем давлении 9,8 Мпа;

2. Выявление потенциально опасных областей с высокими градиентами напряжений;

3. Подготовка подробной расчетных моделей опасного участка трубопровода без дефектов и с возможными дефектами

(продольная трещина);

3. Выполнение ряда расчетов фрагмента опасного участка трубопровода без дефекта при рабочем давлении 9,8 Мпа и

при давлении испытания 12 Мпа;

4. Выполнение серии расчетов фрагмента опасного участка трубопровода с дефектом при рабочем давлении 9,8 Мпа;

5 А й б б ф ф б5. Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода без дефекта и с дефектом при рабочем давлении

9,8 Мпа – малоцикловая усталость при постоянной амплитуде цикла (nCode EN Constant (DesignLIfe);

6. Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода без дефекта и с дефектом в случае появления

пульсаций рабочего давления в течение 40 сек малоцикловая усталость при переменной амплитуде цикла (nCode ENпульсаций рабочего давления в течение 40 сек. – малоцикловая усталость при переменной амплитуде цикла (nCode EN

TimeSeries (DesignLIfe);

7. Применение специальных расчетных шаблонов математических операций и редактора истории изменения амплитуд;

8 Сохранение результатов анализа усталостной долговечности отдельно от проекта;8. Сохранение результатов анализа усталостной долговечности отдельно от проекта;

Используемые продукты ANSYS: Mechanical APDL, ANSYS ICEM CFD, nCode DesignLife 8.0 for ANSYS 14.0

Исходные данные

Материалы:1. Трубопровод – сталь класса прочности не ниже К34 (ГОСТ З 52079-2003 [1]): Таблица 1

Плотность , Модуль упругости Ех,

Коэффициент Пуассона.

Модуль упругостивторого рода ,

Предел текучести ,

Касательный модуль ,

Модель пластичности

3мкг

Па xyG

ПаT

ПаTE

Па

Таблица 1

7750 1,93Е+011 0,31 7,36Е+010 2,1E+008 1.8E+009 BISO, критерий по Мизесуу

2. В nCode этому материалу можно поставить в соответствие сталь Steel_UML_UTS300, которая содержит кривые

усталостной долговечности (Рис. 1, 2). В учебных целях в расчетах на усталостную долговечность в nCode будем

Р бприменять этот тип стали. Разумеется, наилучшим способом является получение экспериментальных характеристик

материала из которого непосредственно изготавливаются трубопроводы с последующим построением кривых

усталостной долговечности;


Рис.1. Механические и усталостные свойства стали Steel_UML_UTS300 Рис.2. Усталостная кривая для стали Steel_UML_UTS300


3. Грунт Clay Low – глина с низким содержанием воды:

Плотность , Модуль Коэффициент Модуль упругости Удельный вес Модель

Таблица 2




Удельный вес Модель пластичности

Drucker-Prager:

3мкг

Па xyG

Па

3мН

1С

1835 2,0Е+006 0,4 7,413Е+006 18E+003 0,000001

Drucker Prager:

210000

25

мНCeff

eff

4. Грунт Organic Low – слой осадочной органики: Таблица 3




Удельный вес Модель пластичности

3мкг

Па xyG

Па

3мН

1С

1734 4,0Е+006 0,45 1,379Е+006 17E+003 0,000001

Drucker-Prager:

10000

15

НC

eff

210000м

Ceff


5. Конечно-элементная модель: SOLID185:

Conta174:

Targe170:

Размерность:135312 узлов208696 элементов


6. Подконструкция без дефекта, длина 3 м:

7. Подконструкция с дефектом, длина 3 м:

Параметры трещины:

Длина дефекта – 12,7 мм

Ширина – 0,21мм

Диаметр скруглений – 2,5 мм


8. Файлы результатов прочностных расчетов:

- Pipe-1420mm.rst – полный расчет трубопровода в грунте при рабочем давлении 9,8 Мпа;9 8Mpa Crack rst рас е а ро ос о о с р с ефе о р а е 9 8 М а- 9_8Mpa_Crack.rst – расчет на прочность подконструкции с дефектом при давлении 9,8 Мпа;

- 9_8Mpa_nonCrack.rst – расчет на прочность подконструкции без дефекта при давлении 9,8 Мпа;- 12Mpa_nonCrack.rst – расчет на прочность подконструкции без дефекта при давлении 12 Мпа.

9. Параметры трубопровода:- диаметр 1420 мм;- толщина стенки 20 мм;- длина рассматриваемого участка 100 м;- класс прочности стали не ниже К34 (ГОСТ З 52079-2003 [1]);

10.В качестве модели пульсационного изменения рабочего давления в трубопроводе, представим в виде масштабных коэффициентов к основной нагрузке (Рис. 3):

В дальнейшем, при помощи редактора истории нагружения и шаблона шаблона математических операций, необходимо отредактировать данный данный закон изменения амплитуд рабочего давления.

Длительность процесса – 40 секунд.

Основные этапы расчета1. Полный расчет участка трубопровода, длиной 100м при рабочем давлении 9,8 Мпа;

2. Выполнение прочностного расчета фрагмента опасного участка трубопровода без дефекта при рабочем давлении 9,8 Мпа;

3. Выполнение прочностного расчета фрагмента опасного участка трубопровода без дефекта при давлении испытания 12,0 Мпа;

4. Выполнение прочностного расчета фрагмента опасного участка трубопровода с дефектом при рабочем давлении 9,8 Мпа;

5. Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода без дефекта при рабочем давлении 9,8 Мпа – малоцикловая

усталость при постоянной амплитуде цикла (nCode EN Constant (DesignLIfe);

6 А й б б ф 12 0 М6. Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода без дефекта при давлении 12,0 Мпа – малоцикловая усталость при

постоянной амплитуде цикла (nCode EN Constant (DesignLIfe);

7. Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода с дефектом при рабочем давлении 9,8 Мпа – малоцикловая

усталость при постоянной амплитуде цикла (nCode EN Constant (DesignLIfe);

8. Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода без дефекта в случае появления пульсаций рабочего давления в

течение 40 сек. – малоцикловая усталость при переменной амплитуде цикла (nCode EN TimeSeries (DesignLIfe);

9. Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода с дефектом в случае появления пульсаций рабочего давления в

течение 40 сек малоцикловая усталость при переменной амплитуде цикла (nCode EN TimeSeries (DesignLIfe);течение 40 сек. – малоцикловая усталость при переменной амплитуде цикла (nCode EN TimeSeries (DesignLIfe);

Используемые продукты ANSYS: Mechanical APDL ANSYS ICEM CFD nCode DesignLife 8 0 for ANSYS 14 0Используемые продукты ANSYS: Mechanical APDL, ANSYS ICEM CFD, nCode DesignLife 8.0 for ANSYS 14.0

Порядок выполнения мастер-класса

Этап 1.Полный расчет участка трубопровода, длиной 100м при рабочем давлении 9,8 Мпа

1. Запускаем ANSYS Mechanical APDL в рабочей директории с имеем проекта Pipe-1420mm.

Построение геометрии грунтового массива и трубопровода:

2. Построить параллелепипед, который будет моделировать грунтовый массив:M i M P M d li C t V l Bl k B Di iMain Menu – Preprocessor - Modeling – Create – Volumes – Block – By Dimensions

Размеры блока: Х1= 0; Х2= 14; Y1= 0; Y2= 14; Z1= 0; Z2= 100 (построения осуществляем в метрах)

3. Отцентрировать блок, так, чтобы начало координат было размещено в центре тяжести боковой грани Z=0, а ось Z совпадала бы с самой длинной гранью (100м);

4. Построить тонкостенный цилиндр, который будет моделировать трубопровод:Main Menu – Preprocessor - Modeling – Create – Volumes – Cylinder – Hollow Cylinder

Основные размеры: WP X, WP Y= 0; Rad-1=0.710 ; Rad-2= 0.690; Depth= 100Команда создает тонкостенный цилиндр, внешним диаметром 1420мм и толщиной стенки 20мм.д д ц др, д р щ

5. Необходимо повернуть цилиндр на 90 градусов, чтобы соориентировать его по оси Y глобальной системы координат:Поменять систему координат с CSYS, 0 (декартова) на CSYS, 5 (цилиндрическая с осью Y):Utility Menu – WorkPlane – Change Active CS to… - Global Cylindrical Y


6. Применить команду VGEN:Main Menu – Preprocessor – Modeling –Move/Modify – VolumesВыделить необходимый объем (трубопровод), задать DY= 90, затем ОК.Трубопровод должен развернуться в правильное положение:

7. Необходимо сформировать внутренний канал при помощи операции Overlap:Main Menu – Preprocessor – Modeling – Operate – Booleans – Overlap – VolumesВыделить все (Pick All), затем OK.После выполнения операции, удалить все лишние объемы, чтобы остался лишь грунтовый массив и трубопровод:

Порядок выполнения мастер-классаГенерация расчетной сетки для грунтового массива и трубопровода:1. После построения опорной геометрии, необходимо создать конечно-элементные модели грунтового массива и трубопровода.

Проще это сделать при помощи команды SWEEP.Выберем из библиотеки необходимые типы конечных элементов:Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteMain Menu – Preprocessor – Element Type – Add/Edit/Delete

Основной конечный элемент – SOLID185:

Вспомогательный конечный элемент MESH200:


2. Настройки для конечных элементов MESH200 (TYPE2, 3):

Для элемента MESH200 (TYPE 2):Выделить Type 2 Mesh200, затем нажать Options и в окне MESH200 element type options выбрать его геометрию QUAD 4-NODEЭто будет шаблон на построения 100% гексагональной КЭ-модели трубопровода.


3. Настройки для конечных элементов MESH200 (TYPE2, 3):

Для элемента MESH200 (TYPE 3):Выделить Type 3 Mesh200, затем нажать Options и в окне MESH200 element type options выбрать его геометрию TRIA 3-NODEЭто будет шаблон на построения призматической КЭ-модели грунтового массива.

Порядок выполнения мастер-классаГенерация расчетной сетки грунтового массива:

4. Открыть инструмент сеточного построения Mesh Tool:Main Menu – Preprocessor - Meshing – Mesh ToolВыбрать торцевую поверхность грунтового массива со стороны Z=0Выбрать торцевую поверхность грунтового массива со стороны Z=0

5. Задать параметры сеточного разбиения для поверхности Area в MeshTool:

- Element Attributes – Areas, далее нажать Set и в окне Area Atributes задать тип КЭ 3 MESHH200;- Нажать ОК и закрыть диалог Area Atributes;- В разделе Size Controls задать размер КЭ на выбранной поверхности (по усмотрению пользователя):

Порядок выполнения мастер-класса6. В разделе SmartSize установить ползунок в среднее положение;7. В разделе Mesh установить тип сетки, тип разбиения Shape:

- Mesh – Areas;- Shape – Tri/Free;

8. Нажать Mesh.

9. После генерации КЭ-модели, построить торцевую сетку грунтового массива (EPLOT):

10. Теперь необходимо построить объемную КЭ-модель грунтового массива.Для этого в Mesh Tool необходимо присвоить объему соответствующий типконечного элемента (SOLID185) и задать число разбиений вдоль оси Z (100).

Порядок выполнения мастер-класса11. Выделить объем грунтового массива и задать следующие параметры в Mesh Tool:

- Element Attributes – Volumes;- TYPE Element type number – 1 SOLID185;- Size Controls – Lines – NDIV= 100;- Mesh – Volumes – Shape – Hex/Sweep;- Далее нажать MeshДалее нажать Mesh.

Порядок выполнения мастер-класса12. После окончания работы команды Sweep, построить КЭ-модель грунтового массива при помощи команды EPLOT:

Порядок выполнения мастер-классаГенерация расчетной сетки трубопровода:

13. Открыть инструмент сеточного построения Mesh Tool:Main Menu – Preprocessor - Meshing – Mesh ToolВыбрать торцевую поверхность трубы со стороны Z=0Выбрать торцевую поверхность трубы со стороны Z=0

14. Задать параметры сеточного разбиения для поверхности Area в MeshTool:

- Element Attributes – Areas, далее нажать Set и в окне Area Atributes задать тип КЭ 2 MESHH200;- Нажать ОК и закрыть диалог Area Atributes;- В разделе Size Controls задать размер КЭ на линии (для всех линий выбранной поверхности трубы):

NDIV = 18;


15. В разделе Mesh установить тип сетки, тип разбиения Shape:

- Mesh – Areas;- Shape – Quad/Mapped;

16. Нажать Mesh.

17. После генерации КЭ-модели, построить торцевую сетку трубопровода (EPLOT):

18. Теперь необходимо построить объемную КЭ-модель трубопровода.Для этого в Mesh Tool необходимо присвоить объему соответствующий типконечного элемента (SOLID185) и задать число разбиений вдоль оси Z (100).

Порядок выполнения мастер-класса19. Выделить объем трубопровода и задать следующие параметры в Mesh Tool:

- Element Attributes – Volumes;- TYPE Element type number – 1 SOLID185;- Size Controls – Lines – NDIV= 100;- Mesh – Volumes – Shape – Hex/Sweep;- Далее нажать MeshДалее нажать Mesh.

Порядок выполнения мастер-класса20. После окончания работы команды Sweep, построить КЭ-модель трубопровода при помощи команды EPLOT:

Порядок выполнения мастер-классаЗадание моделей материала:

1. Создать модели материала слоев грунтового массива и трубопровода. Принимается следующая нумерация материалов:МАТ1 грунт Clay Low (Таблица 2);- МАТ1 – грунт Clay Low (Таблица 2);

- МАТ2 – грунт Organic Low (Таблица 3);- МАТ3 – сталь трубопровода (Таблица 1);

Main Menu – Preprocessor – Material Props – Material Models:

В разделе Material Models Available выбираются соответствующие параметры материалов (см. Таблицы 1 - 3);


2. Присвоение моделей материалов разным областям КЭ-модели «трубопровод в грунте»:Необходимо присвоить материалы, так, как показано ниже на рисунке.Используется команда EMODIF:Main Menu – Preprocessor – Modeling – Move/Modify – Elements – Modify Attrib.

МАТ2

МАТ3

МАТ1

Порядок выполнения мастер-классаЗадание нагрузок и закреплений:1. Грунтовый массив:

UZ=0(торцевая плоскость)

UX=0 (боковая плоскость)

UX=0(боковая плоскость)

ALL DOF= 0(нижняя плоскость)

UZ=0(торцевая плоскость)

Порядок выполнения мастер-класса2. Трубопровод

На торце, при Z=0, ALL DOF=0;На торце, при Z=100, UX= 0; UY= 0;

3 Нагрузки: ускорение свободного падения (9 8 м/с2) и давление в трубопроводе 9 8Мпа;3. Нагрузки: ускорение свободного падения (9,8 м/с2) и давление в трубопроводе 9,8Мпа;

Задание параметров решателя и запуск на расчет:

1. Main Menu – Solution – Analysis Type – Sol’n Controls.

1. 2. OK;1. 2. OK;2. 3. Далее Solve – Current LS.

Порядок выполнения мастер-классаРезультаты расчета:

1. Суммарные деформации грунтового массива и трубопровода:


2. Эквивалентные напряжения по Мизесу (von Mises):


3. Суммарные деформации грунтового массива и трубопровода:


4. Напряжения SX в трубопроводе:


5. Напряжения SY в трубопроводе:


Этап 2.Выполнение прочностного расчета фрагмента опасного участка трубопровода без дефекта при рабочем давлении 9,8 Мпад ф р р д ,

1. Запускаем ANSYS Mechanical APDL в рабочей директории с имеем проекта 9_8Mpa_nonCrack;2. Геометрическая модель подконструкции была построена средствами ANSYS Prep7 и представляет собой фрагмент стенки трубопровода

длиной 3 м (полукольцо). Был выбран участок трубопровода с относительно малыми градиентами напряжений (контрольный участок);3. Конечно-элементная модель подконструкции без дефекта показана на рисунке ниже:

Размерность модели: 63147 узлов;52992 элемента;


4. Модель материала создана согласен таблице 3. Модель пластичности – BISO,критерий пластичности – по Мизесу:

Main Menu – Preprocessor – Material props – Material Models

Билинейная модель изотропного упрочнения:


5. Граничные условия и закрепления: Торцевая поверхность, ALL DOF= 0

Давление, P= 9.8Mpa

Торцевая поверхность, UZ= 0;

Симметричные ГУ


6. Параметры решателя:

Main Menu – Solution – Analysis Type – Sol’n Controls.

- Analysis Option= Small Displ. Static;

- Time at end of LS= 1;;

- Number of substeps:

Number of substeps= 5;

Max no. of substeps= 10;

Min no of substeps= 5;Min no. of substeps= 5;

- Frequency= Write last substep only;

7. После нажать ОК;

8. Запустить задачу на расчет:

Solution – Solve – Current LS.


9. Просмотр и анализ результатов.

После завершения расчета, прочитать результаты в постпроцессоре:

Main Menu – General Postproc – Read Results – Last SetMain Menu General Postproc Read Results Last Set.

10. Поменять систему координат результатов на цилиндрическую:

Main Menu – General Postproc – Options for Outp:


11. Суммарные деформации USUM:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


12. Эквивалентные напряжения по Мизесу SEQV:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


13. Эквивалентные пластические деформации EPPLEQV:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


Этап 3Выполнение прочностного расчета фрагмента опасного участка трубопровода без дефекта при давлении испытания 12,0 Мпад ф р д ,

1. Запускаем ANSYS Mechanical APDL в рабочей директории с имеем проекта 12Mpa_nonCrack;2. Геометрическая модель подконструкции была построена средствами ANSYS Prep7 и представляет собой фрагмент стенки трубопровода

длиной 3 м (полукольцо). Был выбран участок трубопровода с относительно малыми градиентами напряжений (контрольный участок);3. Конечно-элементная модель подконструкции без дефекта показана на рисунке ниже:




Давление, P= 12 Mpa




12. Эквивалентные напряжения по Мизесу SEQV:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


13. Эквивалентные пластические деформации EPPLEQV:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


Этап 4Выполнение прочностного расчета фрагмента опасного участка трубопровода с дефектом при рабочем давлении 9,8 Мпад ф р р д ,

1. Запускаем ANSYS Mechanical APDL в рабочей директории с имеем проекта 9_8Mpa_Crack;2. Геометрическая модель подконструкции была построена средствами ANSYS Prep7 и представляет собой фрагмент стенки трубопровода

длиной 3 м (полукольцо). Был выбран участок трубопровода с большими градиентами напряжений, куда был помещен дефект (трещина);3. Конечно-элементная модель подконструкции с дефектом показана на рисунке ниже:




Давление, P= 9 Mpa














8. Открыть вкладку Sol’n Options.

Порядок выполнения мастер-класса9. Выбрать итеративный решатель PCG:


10. Открыть диалог Analysis Options:Main Menu – Solution – Analysis Type – Analysis Options.

11. Опция метода Newton-Raphson NROPT= Program chosen;

12. Adaptive descent = ON if necessary;

13. PCGOPT Reduced I/O = Yes;

14. PIVCHECK = On;

15. Нажать ОК и закрыть диалог;




20. Эквивалентные напряжения по Мизесу SEQV в окрестности трещины:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


21. Компонент напряжения SX в окрестности трещины:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


22. Компонент напряжения SY в окрестности трещины:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


23. Эквивалентные пластические деформации EPPLEQV в окрестности трещины:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


24. Эквивалентные упругие деформации EPELEQV в окрестности трещины:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


25. Суммарные механические деформации EPTOEQV в окрестности трещины:Main Menu – General Postproc – Contour Plot – Nodal Solution.


Этап 5Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода без дефекта при рабочем давлении 9,8 Мпа – малоцикловая усталость при постоянной амплитуде р д , ц у р удцикла (nCode EN Constant (DesignLIfe)После завершения расчетов в ANSYS Mechanical APDL, приступим к анализу усталостной долговечности выбранных фрагментов участка трубопровода без дефекта (контрольный участок) и с дефектом.Необходимо скопировать следующие файлы результатов в отдельную директорию которая будет использоваться под рабочие проектыНеобходимо скопировать следующие файлы результатов в отдельную директорию, которая будет использоваться под рабочие проекты ANSYS nCode DesignLife:

- 9_8Mpa_Crack.rst – расчет на прочность подконструкции с дефектом при давлении 9,8 Мпа;

- 9_8Mpa_nonCrack.rst – расчет на прочность подконструкции без дефекта при давлении 9,8 Мпа;

- 12Mpa_nonCrack.rst – расчет на прочность подконструкции без дефекта при давлении 12 Мпа.

1. Запустить приложение nCode и указать рабочую директорию с файлами результатов ANSYS;

2. Имя рабочей директории - crack_fine_ncode;

3. Вначале сформируем проект 9_8Mpa_nonCrack.flo;

4. Используются следующие расчетные шаблоны nCode:

Выход FE Model DataВыход FE Model Data

FEInput Glyph

Импорт результатов расчетов на прочность

в рабочий проект nCode


Выполнение разнообразных расчетов на малоцикловую усталость на основе

предварительных расчетов на прочность

Расчетный шаблон EN Analysis Glyph

Вход ResultsSet

Вход Time Series Input Выход Full Results (tabulate)

Выход Compressed Results (for display)

Определение «горячих точек» на узлах и элементах FE-модели (экстремумов) на

Расчетный шаблон Hot Spot Detection Glyph

основе разнообразных результатов (life, damage и др.)

Вход FE Model Выход Hot Spot List

Вход CAE Fatigue Results


Визуализация FE-модели, FE-результатов и Fatigue-результатов

В FE R lt

Расчетный шаблон FE Display Glyph

Вход FE Results

Вход Feature List

Визуализация разнообразных результатов и исходных данных в

Расчетный шаблон DataValuesDisplay Glyph

табличном видеВход Time Series Input

Вход Histogram Input

Вход Multi-Column Input

Вход Complex Frequency Input

Порядок выполнения мастер-классаЗаписывает результаты усталостного анализа

в файл результатов FE Results File

В FE R lt

Расчетный шаблон FE Output Glyph

Вход FE Results

Записывает метаданные текущего проекта в пользовательский файл

Расчетный шаблон MetaDataOutputGlyph

Вход Metadata Input

Записывает результаты расчетов в табличном виде в пользовательский файл

Расчетный шаблон Multi-Column Output Glyph ф

Вход Multi-Column Input

p yp

Порядок выполнения мастер-класса5. Соединить выбранные шаблоны в единый проект, как показано на рисунке:

Порядок выполнения мастер-класса6. Отредактировать основной расчетный шаблон EN Analysis Glyph:

- правый клик на шаблон, затем в выпадающем меню выбрать опцию Edit Material Mapping:- на вопрос Run Flow? ответить Yes;- откроется диалог Edit Material Map:

- выбрать материал Steel_UML_UTS300;- выделить строку Default Material;

- нажать пиктограмму и добавить материал в проект. Нажать ОК и закрыть диалог.

Порядок выполнения мастер-класса7. Отредактировать основной расчетный шаблон EN Analysis Glyph:- правый клик на шаблон, затем в выпадающем меню выбрать опцию Edit Load Mapping

- на вопрос Run Flow? ответить Yes;- откроется диалог Edit Load Map:

- выбрать тип нагрузки Loading Type= Constant Amplitude;- включить опцию Auto-Configure;- нажать ОК и закрыть диалог.


- правый клик на шаблон, затем в выпадающем меню выбрать опцию Properties;- откроется диалог ENAnalysis Properties:

- отредактировать выделенные опции, как показано на рисунке;- нажать ОК и закрыть диалог.

Порядок выполнения мастер-класса9. Сохранить проект File – Save Process As…10. Запустить проект на решение, нажав на кнопку RUN в главном меню:

11. После окончания процесса решения произойдет обновление всех расчетных шаблонов и станут доступными результаты по усталостной долговечности:


12. Развернуть на весь экран шаблон FE Display Glyph: накопленная повреждаемость Damage

- правый клик на шаблон FE Display;

- выбрать Properties;

- в разделе FE Display выбрать тип

тип результата Damage;р у g ;

- нажать ОК.


13. Число циклов до разрушения Life:


Этап 6Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода без дефекта при давлении 12 0 Мпа малоцикловая усталость при постояннойдефекта при давлении 12,0 Мпа – малоцикловая усталость при постоянной амплитуде цикла (nCode EN Constant (DesignLIfe)

Методика формирования проекта такая же, как и в предыдущем случае, только грузятся результаты из файла 12Mpa_nonCrack.rst.Поэтому мы не будем подробно останавливаться на стадиях подготовки проекта и отобразим сразу результаты анализа на усталостную долговечность.


Этап 7Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода с дефектом при рабочем давлении 9 8 Мпа малоцикловая усталость придефектом при рабочем давлении 9,8 Мпа – малоцикловая усталость при постоянной амплитуде цикла (nCode EN Constant (DesignLIfe)


2 И б й k fi d2. Имя рабочей директории - crack_fine_ncode;

3. Вначале сформируем проект 9_8Mpa_Crack.flo (см. след. слайд);

4. Загрузить файл результатов 9_8Mpa_Crack.rst в проект через шаблон FE Input Glyph;

5. Сформировать рабочий проект по аналогии с этапом 5;

6. Выполнить настройки решателя EN Analysis Glyph:

- oпции материалов Edit Material Map;

- oпции нагрузок Edit Load Map;

- опции решателя Properties;

7. Сохранить проект как 9_8Mpa_Crack.flo;

8 Запустить задачу на расчет нажав RUN на главной панели инструментов:8. Запустить задачу на расчет, нажав RUN на главной панели инструментов:

Порядок выполнения мастер-классаСформированный рабочий проект:








Области с высоким уровнемОбласти с высоким уровнем

накопленной повреждаемости:


Этап 8Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода без дефекта в случае появления пульсаций рабочего давления в течение 40дефекта в случае появления пульсаций рабочего давления в течение 40 сек. – малоцикловая усталость при переменной амплитуде цикла (nCode EN TimeSeries (DesignLIfe)


2. Имя рабочей директории - crack_fine_ncode;

3. Вначале необходимо подготовить историю изменения амплитуд давления в трубопроводе, отредактировав значения этих амплитуд.

Для этого понадобятся новые расчетные шаблоны в дополнение к тем, которые были описаны на этапе 5:

Читает исходные данные по нагрузкам в рабочий проект в виде истории изменения амплитуд

(обычно от времени)

Расчетный шаблон TSInput Glyph Выход Time Series Output

Порядок выполнения мастер-классаВыполняет разнообразные математические

операции с временными историями изменения амплитуд и с гистограммами данных (сложение,

деление, умножение, вычитание и др.)

Расчетный шаблон Arithmetic Glyph

Выход Time Series Output

Выход Histogram Output

Вход Time Series Input 1Вход Time Series Input 2

Вход Histogram Input 1Вход Histogram Input 2

Визуализация графиков в координатах XY, 2D, 3Dгистограмм, получаемых в результате расчетов на

усталостную долговечностьРасчетный шаблон XYDisplay Glyph

Вход Time Series Input 1Вход Time Series Input 2Вход Time Series Input 2

Вход Histogram Input 1Вход Histogram Input 2

Вход Multi-Column Input 1Вход Multi-Column Input 2


4. Вначале отредактируем амплитуды истории нагружения Time Series. Для этого сформируем небольшой проект, как показано на рисунке:

5. В расчетный шаблон загрузим историю PressurePulse.dac, которая тут же отобразится в расчетном шаблоне TSInput Glyph:


6. Отредактируем расчетный шаблон Arithmetic Glyph. Правый клик на шаблон, из выпадающего меню выбрать опцию Properties:

- появится диалог Arithmetic Рroperties:

- Operator= Divide;Constant= 4000;- Constant= 4000;

- Нажать ОК и закрыть диалог.

7. Сохранить рабочий проект как 9_8Mpa_nonCrackTimeSeries.flo и запустить на выполнение (кнопка RUN на панели инструментов)

Порядок выполнения мастер-класса9. В результате, в расчетном шаблоне XYDisplay Glyph появится результат математического преобразования:

10. Получившийся график амплитуд будем использовать в дальнейших расчетах:

Порядок выполнения мастер-класса11. Сформируем основной рабочий проект, как показано на рисунке ниже.

Загрузим результаты прочностного анализа из файла 9_8Mpa_nonCrack.rst в расчетный шаблон FEInput Glyph:

Порядок выполнения мастер-класса12. Настроить основной расчетный шаблон-решатель EN Analysis Glyph:

- правый клик на шаблон, затем выбрать опцию Edit Material Mapping

- на вопрос Run Flow? ответить Yes;откроется диалог Edit Material Map:- откроется диалог Edit Material Map:

- выбрать материал Steel_UML_UTS300;- выделить строку Default Material;

- нажать пиктограмму и добавить материал в проект. Нажать ОК и закрыть диалог.

Порядок выполнения мастер-класса13. Отредактировать основной расчетный шаблон EN Analysis Glyph:- правый клик на шаблон, затем в выпадающем меню выбрать опцию Edit Load Mapping

- на вопрос Run Flow? ответить Yes;- откроется диалог Edit Load Map:

- выбрать тип нагрузки Loading Type= Time Series;- включить опцию Auto-Configure;- нажать ОК и закрыть диалог.


- правый клик на шаблон, затем в выпадающем меню выбрать опцию Properties;- откроется диалог ENAnalysis Properties:

- отредактировать выделенные опции, как показано на рисунке;- нажать ОК и закрыть диалог.

Порядок выполнения мастер-класса15. Сохранить проект File – Save Process As…16. Запустить проект на решение, нажав на кнопку RUN в главном меню:

17. После окончания процесса решения произойдет обновление всех расчетных шаблонов и станут доступными результаты по усталостной долговечности:


Этап 9Анализ усталостной долговечности опасного участка трубопровода с дефектом в случае появления пульсаций рабочего давления в течение 40дефектом в случае появления пульсаций рабочего давления в течение 40 сек. – малоцикловая усталость при переменной амплитуде цикла (nCodeEN TimeSeries (DesignLIfe)

Методика формирования проекта такая же, структура проекта остается без изменений, как и в предыдущем случае, только грузятся результаты расчета на прочность из файла 9 8Mpa Crack.rst.прочность из файла 9_8Mpa_Crack.rst.

Поэтому мы не будем подробно останавливаться на стадиях подготовки проекта и отобразим сразу результаты анализа на усталостную долговечность.р р у р у у у д

Рабочий проект сохраняется под именем 9_8Mpa_CrackTimeSeries.flo


Сводная таблица анализа усталостной долговечности для различных вариантов фрагмента стенки трубопровода

Тип расчета Тип КЭ-модели Рабочая нагрузка

Минимальное числоциклов до разрушения,

Life

Максимальная накопленная

повреждаемость, Damage

Constant Amplitude Без дефекта 9,8 Мпа 1,275Е+004 7,84Е-005

Constant Amplitude Без дефекта 12,0 Мпа 5578,81 1,7925Е-004

Constant Amplitude С дефектом 9,8 Мпа Static Failure Static Failure

TimeSeries Без дефекта 2846,7 3,513Е-004

TimeSeries С дефектом 5,00301 0,19988


Выводы:

1 Специализированный расчетный комплекс nCode DesignLife 8 0 позволяет проводить1. Специализированный расчетный комплекс nCode DesignLife 8.0 позволяет проводить разнообразные расчеты на усталостную долговечность трубопроводных транспортных систем с учетом специфики рабочих условий, различных моделей материалов и режимов нагружения;

2. nCode DesignLife 8.0 позволяет моделировать различные аварийные режимы работы трубопроводов с учетом образования различных дефектов (трещин) и их последующего развития втрубопроводов с учетом образования различных дефектов (трещин) и их последующего развития в основном металле;

3. В данном мастер-классе были проведены пять расчетов на усталостную долговечность выбранного участка трубопровода при рабочем давлении 9,8 Мпа и кратковременном давлении 12,0 Мпа как с учетом трещин так и без них (см сводную таблицу) Кроме этого моделировался скачок давленияучетом трещин, так и без них (см. сводную таблицу). Кроме этого, моделировался скачок давления в трубопроводе (в виде истории изменения амплитуд) в течение 40 секунд и проводился анализ усталостной долговечности с учетом дефекта и без него;

4. На основании выполненных расчетных работ и анализа полученных результатов можно отметить, что в условиях постоянного рабочего давления 9 8 Мпа и в отсутствие дефектов в стенкечто в условиях постоянного рабочего давления 9,8 Мпа и в отсутствие дефектов в стенке трубопровода, последний обеспечивает вполне приемлемый уровень надежности с выбранной моделью материала. Однако, при появлении трещины, наступает последующее разрушение стенки трубопровода уже при рабочем уровне давления. При переменных амплитудах давления трубопровод не потеряет структурную целостность даже при наличии дефекта по крайне мере втрубопровод не потеряет структурную целостность даже при наличии дефекта, по крайне мере в течение 40 секунд действия переменной нагрузки;

5. Специализированный расчетный комплекс nCode DesignLife 8.0 может оказаться востребованным для проведения расчетов на усталостную долговечность на предприятиях нефтегазовой отрасли.

Литература1. Трубы стальные сварные для магистральных газопроводов, нефтепроводов и нефтепродуктов. ГОСТ Р 52079-2003. – М.: Госстандарт России, 2003

2. Арутюнян Р.А. Об одной вероятностной модели сопротивления усталости// Физико-химическая механика материалов. - 1993- № 1С. 41-45.

3. Арутюнян Р.А., Фомин В.Л. Влияние начальной поврежденности и размера зерна на квазистатический рост усталостных трещин // Вестник СПбГУ. 1999.- №

1.- С. 72-76.

4. Бородачев Н.М, Малашенко С.П. Влияние частоты нагружения на рост усталостных трещин // Вестник машиностроения 1977 - № 7.

5. Бразерс, Юкава. Распространение усталостной трещины в низколегированных термообработанных сталях // ТОИР. М.: Мир, 1967-Т.89.-№ 1.

6. Бухановский В.В. Взаимосвязь характеристик сопротивления усталости, кратковременной прочности и структуры низколегированных молибденовых

// П б 2000 № 4 С 75 85сплавов // Проблемы прочности. 2000 - № 4 - С. 75-85.

7. Вуд У.А. Некоторые результаты исследования природы усталости металлов // В сб.: Усталость и выносливость металлов,- М.: ИЛ, 1963.

8. Гецов Л.Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. Л: Машиностроение, 1973.-296 с.

9. Гречухина О.С. Оценка усталостной долговечности многослойной конструкции с центральной трещиной// Новые технологии, 2006, №1, с. 4-7.

10 Гудков А А Зотеев B C Влияние частоты приложения циклической нагрузки на скорость распространения усталостной трещины // Проблемы прочности10. Гудков А.А, Зотеев B.C. Влияние частоты приложения циклической нагрузки на скорость распространения усталостной трещины // Проблемы прочности-

1975-№ 6 -С. 44-47.

11. Доможиров Л.И., Махутов Н.А. Иерархия трещин в механике циклического разрушения//Механикатвердого тела-1999 -№ 5.-С. 17-25.

12. Кармак, Кэтлин. Распространение трещины при малоцикловой усталости высокопрочных сталей // ТОИР. М.: Мир, 1966 - № 4.

13. Качанов JI.M. О разрушении и росте трещин // Инженерный журнал, МТТ- 1968.-№ 1.13. Качанов JI.M. О разрушении и росте трещин // Инженерный журнал, МТТ 1968. № 1.

14. Коренев Б.Г. Ведение в теорию бесселевых функций. М: Наука, 1971.

15. Костров В.В., Никитин JI.B., Флитман JI.M. Распространение трещин в упруго-вязких телах// Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1970 - -№ 7.

16. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов. М: Металлургия, 1990.

17. Кузнецов Н.Д. Влияние свойств материала и технологии изготовления на конструкционную прочность // Проблемы прочности. 1971- № 7.-С. 47-54.

18. Кулиев В.Д. Влияние параметров нагружения на рост усталостных трещин//Докл. АН СССР.- 1979.-Т. 246.-№ з.

19. Кулиев В.Д. Сингулярные краевые задачи-М.: Физмалит, 2005.

20. Кулиев В.Д. Стационарное движение трещины в полосе // ПММ.- 1973-Т.37. -№ 3.

21. Кулиев В.Д., Бакуменко Н.А., Гречухина О.С. К теории роста усталостных трещин// Мат. XI Межд. семинара «Технологические проблемы прочности». 2004,

С.148.

Спасибо за внимание!Ваши вопросы и пожелания вы можете отправлять по электронной почте на адрес [email protected]

О выходе новых уроков и лекций вы можете узнать через подписку на наши электронные новости ANSYS eNews: htt // k /?id 138http://ansys.msk.ru/?id=138

MC1226

Documents

Transcript of MC1226