А.В.Белобородов, А.П.Комаров, Г.Н.Новаковский, М.М.Ерофеев
В настоящее время у инженера- исследователя появилась возможность применять универсальные математические пакеты для широкого круга задач — расчетов в различных областях гидродинамики, тепло- и массообмена, прочности, электромагнетизма, при этом значительно снижаются затраты и время на проведение физического эксперимента.
Специалисты отдела инженерного анализа компании «Делкам- Урал» в течение многих лет решают задачи из различных областей современной промышленности, в том числе все виды литейных задач, расчет гидродинамики, гидроудары, расчет объектов, работающих под избыточным давлением. Технические эксперты компании «Делкам-Урал» имеют опыт работы с различными программа- ми инженерного анализа: ANSYS, SYSWELD, ProCast, QForm2D/3D, Deform и др. Данные программы основаны на численных итерационных методах, позволяющих с необходимой точностью решать дифференциальные уравнения, при помощи которых описываются практически все физические задачи. Применение методов компьютерного моделирования дает возможность значительно уменьшить затраты на разработку новых конструкций и систем, а также сократить сроки оптимизации существующих. Отличительной чертой компьютерных моделей является получение дискретного решения в изучаемой системе, при этом исследователь сам может выбирать необходимую степень дискретизации решения, при необходимости легко увеличивая количество точек в системе, для которых определяются свойства. Следует отметить, что при построении физической модели исследователю бывает затруднительно получить большое количество точек, в которых определены свойства системы. При изучении действующего объекта эта задача становится практически нерешаемой, поэтому приходится оценивать процессы внутри объекта по макропоказателям, что сопряжено с увеличением числа ошибочных рассуждений и неправильной работой объекта.
В настоящее время существуют десятки программ, построенных на различных математических методах и позволяющих проводить анализ физических процессов в той или иной постановке. Однако программ, которые обеспечивают проведение междисциплинарных расчетов — одновременного расчета и анализа уравнений из разных областей физики (гидродинамика, прочность, электромагнетизм) — далеко не так много. ANSYS сейчас является уникальной системой, объединяющей в одном интерфейсе большинство разделов физики. Кроме того, современная платформа ANSYS Workbench сопрягается с большинством CAD-пакетов и позволяет моделировать физические процессы с использованием построенных в конструкторских программах трехмерных моделей, снимая необходимость передачи модели из одной программы в другую.
Метод конечных элементов, реализованный в программном обеспечении ANSYS, уже достаточно давно применяется для проведения расчетов напряженно- деформированного состояния и расчетного обоснования прочностной надежности оборудования и трубопроводов, используемых в атомной энергетике. Программа ANSYS сертифицирована в соответствии с ISO 9001 и 9000-3. Кроме того, она аттестована Федеральным надзором России по ядерной и радиационной безопасности, входящим в состав Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. В связи с потребностями развития и совершенствования оборудования масштабы применения данного программного обеспечения постоянно увеличиваются. Вместе с тем подобное программное обеспечение практически не применяется в нефтегазовой отрасли, несмотря на существующую потребность в точной оценке надежности вновь создаваемого обоудования и остаточного ресурса эксплуатируемого. Это связано в первую очередь с отсутствием методических разработок в данном направлении, регламентирующих границы и способы применения данного программного обеспечения. ANSYS позволяет выполнять расчеты конструкций практически любой сложности (рис. 1 и 2) в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации, включая монтажные нагрузки, температурные деформации, гидравлический удар и другие, не учитываемые при расчетах по существующим методикам, которые оказывают влияние на НДС деталей, а следовательно, и на прочностную надежность арматуры в целом.
Рис. 1. Конечно-элементная модель клиновой задвижки DN 300, PN 40 (ОАО «Икар»)
Рис. 2. Конечно-элементная модель обратного затвора DN 50, PN 320 (ОАО «Икар»)
Отработаны методики расчета как отдельных деталей трубопро-водной арматуры (рис. 3), так и изделий в целом с учетом взаимного влияния деталей изделия друг на друга (рис. 4).
Рис. 3. Поле распределения суммарных перемещений в крышке клиновой задвижки DN 100, PN 40 (ОАО «Икар») при нагружении рабочим давлением
Рис. 4. Поле распределения эквивалентных напряжений в корпусных деталях клиновой задвижки DN 300, PN 40 (ОАО «Икар») при нагружении рабочим давлением
Помимо этого существующие методики позволяют выполнять расчеты с учетом монтажных нагрузок (усилия, возникающие при затяжке крепежных деталей, несоосности магистральных фланцев и др.) и принимать во внимание влияние гидравлических ударов (рис. 5).
Рис. 5. Поле распределения эквивалентных напряжений в корпусе клиновой задвижки DN 100, PN 40 (ОАО «Икар») с учетом монтажных нагрузок в случае прямого гидроудара
Входящие в линейку продуктов ANSYS программные модули CFX и Fluent являются признанными мировыми лидерами в области вычислительной гидрогазодинамики. При проектировании трубопроводов и запорной арматуры они используются для следующих расчетов:
- определение гидравлических потерь в трубопроводах и арматуре (клапаны, краны, редукторы и т.д.) и оптимизации формы по данному критерию;
- моделирование движения твердых частиц в потоке жидкости/ газа, что позволяет определять скорость абразивного износа на внутренних поверхностях трубопроводов и арматуры;
- моделирование нестационарных течений (рис. 6), что позволяет определять динамические характеристики работы арматуры (например, изменение расхода и скачок давления во времени и при закрытии клапана), оценивать пиковые нагрузки при гидроударе (рис. 7).
Рис. 6. Поле давления при моделировании гидроудара в задвижке
Рис. 7. Моделирование нестационарного течения в задвижке
Результаты выполненных на основании перечисленных методик расчетов являются основой для проведения оптимизации конструкций арматуры, направленной на повышение прочностной надежности.
Другим аспектом внедрения расчетов методом конечных эле- ментов является сокращение времени подготовки производства в сочетании с уменьшением производственных затрат. Это достигается за счет возможной замены традиционных методов моделирования и испытаний математическими (компьютерными) на основании вышеуказанных методов расчета.
С внедрением методов математического моделирования и анализа исключается необходимость в повторном создании опытных образцов и проведении их испытаний вследствие корректировки конструкции по результатам предыдущих испытаний, так как корректировка конструкции осуществляется по результатам моделирования, которое выполняется практически параллельно с разработкой конструкторской документации, а испытание опытных образцов носит верификационный характер.
