Transcript
непревзойденное преимущество в инженерных расчетах ТМ весна 2008 (7) Судостроение и проектирование морских сооружений Использование ANSYS при проектировании объектов освоения шельфов CFD-технологии в современном судостроении Сопряженный теплообмен в ANSYS CFX Весна 2008 Содержание «ANSYS Advantage. Русская редакция» Инженерно технический журнал Выходит 4 раза в год Весна 2008 (7) Учредитель: ЗАО «ЕМТ Р» Генеральный директор: Локтев Валерий Руководитель проекта: Хитрых Денис Над номером работали: Бутяга Сергей Кабанов Юрий Ларин Михаил Чернов Александр Юрченко Денис Интернет группа: Николаев Александр Переводчик: Юрченко Анна Адрес редакции Россия, Москва, ул. Суздальская, 46, Тел.: (495) Факс: (495) Тираж 1500 экз. Цена свободная Teхнологии Технологии/ANSYS Multiphysics Использование программного комплекса ansys при проектировании объектов освоения шельфа... 2 Использование пк ansys для расчета морской ледостойкой стационарной платформы «Приразломная»... 7 Реализация метода конечных элементов в исследованиях прочности и несущей способности сложных судовых конструкций Верификация и аттестация программного комплекса ANSYS в части расчета температурного состояния конструкций и оборудования ЯЭУ Технологии/ANSYS Workbench Локализация семейства программных продуктов ANSYS Workbench. Что это нам дает? Оптимизация конструкций в модуле DesignXplorer среды Workbench с использованием метода Variational Technology Технологии/ANSYS LS-DYNA Применение modefrontier при расчете изделий из композитных материалов Технологии/ANSYS CFX Анализ эффективности пылеулавливания вихревого аппарата ВЗП-M 200 с помощью программного комплекса ANSYS CFX FSI-технологии ANSYS в медицине Мастер-класс 2008 ANSYS, Inc ЗАО «ЕМТ Р» Перепечатка опубликованных материалов толь ко с письменного раз решения ре дакции, за исключением кратких цитат в материалах информационного характера. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов Мастер класс/вы спрашивали мы отвечаем Создание вычислительного кластера на платформе Microsoft Windows x64 для ANSYS Distributed Solvers (в режиме Distributed Memory Parallel) Подвижные, деформируемые и перестраиваемые сетки в ANSYS CFX и FLUENT. Часть Моделирование сопряженного теплообмена в трубчатом теплообменнике. 16 шагов ANSYS, ANSYS Workbench, CFX, AUTODYN, ICEM CFD, ASAS, AQWA, FLUENT являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками компании ANSYS, Inc. «От идей к решениям», «Непревзойденное преимущество в инженерных расчетах» являются торговыми марками компании ЗАО «ЕМТ Р». Все другие названия программ или оборудования, упомянутые в данном журнале, являются торговыми марками или зарегистрированными торговыми марками соответствующих фирм. ANSYS Advantage. Русская редакция Весна 2008 Технологии 2 Использование программного комплекса ansys при проектировании объектов освоения шельфа Павел Семенович Карпов, Вадим Иванович Кузьменко, ЦКБ «Коралл» ЦКБ «Коралл» выполняет значительный объем работ по проектированию корпусов объектов освоения шельфа, в том числе морских ледостойких стационарных платформ (МЛСП), самоподъемных буровых установок (СПБУ), а также комплексов сооружений, предназначенных для обустройства месторождений углеводородного сырья в различных регионах мира на различных глубинах моря. В большинстве случаев такие установки представляют собой сложные пространственные сооружения, состоящие из опорной конструкции, несущего корпуса и многоярусного верхнего строения, включающие как стержневые, так и плоскостные конструктивные элементы в самых различных соотношениях. Вся установка и отдельные ее модули противостоят нагрузкам, вызываемым воздействиями окружающей среды (волнения, ветра, течения, сейсмоактивности и др.), а также самым разнообразным по величине, направлению и динамическим характеристикам нагрузкам, связанным с функционированием установки. Следует отметить, что помимо расчетов прочности конструкций корпуса установки на нагрузки и их сочетания, характерные для этапа эксплуатации платформы, при проектировании рассматриваются также фазы строительства на заводе, транспортировки к месту эксплуатации и установки на точку эксплуатации. Во всех случаях основной задачей расчетов прочности является обеспечение надежности и долговечности металлоконструкций корпуса при оптимальных затратах на материалы, изготовление и эксплуатацию. Успешному решению поставленных задач при проектировании сложных объектов в настоящее время способствует широкое применение метода конечных элементов (МКЭ), реализованного в различных программных комплексах (ПК), в том числе и в ПК ANSYS. В настоящей статье изложен опыт использования ПК ANSYS для выполнения расчетов прочности металлоконструкций, в частности для решения вопросов обеспечения прочности при морской транспортировке и при подъеме модулей-тяжеловесов в условиях заводастроителя. Примером решения первой проблемы является выполнение комплекса расчетов прочности узла соединения основных несущих конструкций опорного основания платформы (понтонов, колонн и раскосов) при действии нагрузок, возникающих при перегоне объекта на точку эксплуатации с применением транспортного понтона (ТП). Использование ТП обусловлено особенностями навигации на маршруте перегона. Платформа представляет собой сложное пространственное сооружение, основными элементами которого являются понтоны, колонны, соединительные раскосы, ледовое ограждение и многоярусное верхнее строение. Общий вид платформы представлен на рис. 1, основные конструктивные элементы и ТП в виде конечноэлементной модели на рис. 2. ТП подводится под горизонтальные поперечные раскосы, через которые дополнительные силы поддержания передаются на платформу. Усилия взаимодействия платформы и ТП воспринимаются шестью бортовыми опорными фундаментами, установленными на относительно гибких горизонтальных раскосах 25 шп., 77 шп. и 129 шп., и двумя фундаментами в ДП на горизонтальных раскосах 25 шп. и 129 шп. Последние соединены с конструкциями ледового ограждения платформы. 3 Рис. 1. Общий вид платформы Фундаменты платформы опираются на фундаменты ТП через сосновую подушку толщиной 200 мм. В данном случае проблема заключалась в том, что в результате предварительных расчетов прочности узла соединения на действие нагрузок, возникающих при перегоне платформы на точку эксплуатации с использованием ТП, было установлено, что прочность горизонтального раскоса на участке от колонны до опорного фундамента недостаточна. В обшивке раскоса имеют место нормальные и касательные напряжения, существенно превышающие допускаемые. Перегруженными оказались и конструкции внутри раскоса. Кроме того, значительные углы поворота сечений раскосов обусловили относительный перекос опорных поверхностей опорных фундаментов платформы и ТП, что, в свою очередь, могло привести к перегрузке деревянной (сосновой) подушки раскрытию зазора (геометрическая нелинейность). Для отработки оптимальной конструкции подкреплений узла соединения в условиях жестких ограничений по массе были выполнены многовариантные расчеты прочности узла соединения на локальных КЭ. Геометрия локальной КЭ модели представлена на рис. 3, а разбивка на элементы в проблемной зоне на рис. 4. Для изучения напряженного состояния конструкций узла соединения использовалось несколько КЭ-моделей, которые отличались схемой приложения нагрузок, типом элементов для моделирования деревянной подушки и величинами заданных перемещений граничных сечений для раскосов в оконечностях и среднего раскоса. Для изучения поведения деревянной подушки в модель была включена конструкция, имитирующая поверхность фундамента на ТП. При моделировании пластинчатых конструкций всех КЭ-моделей применялся элемент Рис. 2. Глобальная КЭ-модель платформы и ТП Технологии 4 Рис. 5. Схема расположения элементов деревянной подушки Рис. 3. Локальная КЭ-модель. Общий вид Рис. 6. Схема приложения нагрузки к центральному узлу фундамента ТП Рис. 4. КЭ-модель. Разбивка на элементы в проблемной зоне типа Shell181. Учитывая сложную конфигурацию конструкций узла соединения и опорных фундаментов, для обеспечения должной точности расчета использовались конечные элементы малых размеров, в среднем 100Ѕ100 мм, с постепенным их увеличением по мере удаления от проблемного района. Для представления работы деревянной подушки был применен стержневой элемент LINK 10, работающий только на сжатие. Использование такого элемента обусловлено возможностью раскрытия зазора между поверхностями опорного фундамента и дерева изза их значительного взаимного перекоса ввиду гибкости раскосов. Последнее обстоятельство приводит к существенной неравномерности загрузки деревянных подушек по ширине. Схема расположения элементов, моделирующих деревянную подушку, приведена на рис. 5. Для повышения достоверности результатов расчета было рассмотрено два варианта приложения расчетных нагрузок в КЭ-модели: Рис. 7. Схема приложения нагрузки непосредственно к пластине опорного фундамента платформы узловая нагрузка, приложенная к центральному узлу плиты, имитирующей фундамент ТП (рис. 6); узловая нагрузка, приложенная непосредственно к узлам пластины опорного фундамента платформы (рис. 7). Следует отметить, что возможность объединения степеней свободы, предоставляемая ANSYS, значительно упрощает процесс изменения узловой нагрузки и закреплений в узлах при выполнении многовариантных расчетов. Таким образом, использование ANSYS позволило в короткий срок рассчитать большое количество вариантов подкрепления узла соединения и выбрать оптимальную по критерию «прочность масса» конструкцию подкрепления. 5 Рис. 8. Общий вид ЖМ. КЭ-модель для проверки общей прочности ЖМ Внутренние усилия и напряжения в рассматриваемых конструкциях определены на подробной локальной КЭ-модели с учетом возможных проявлений геометрической нелинейности при деформации деревянной подушки, что значительно повысило достоверность полученных результатов. Анализ результатов расчета в ANSYS большого количества рассмотренных КЭ-моделей показал высокую стабильность работы комплекса, что также подтверждает высокую достоверность результатов расчета. Указанные выше обстоятельства позволили обосновать применение повышенного коэффициента безопасности для конструкций узла соединения в режиме транспортировки η 1 = 0,70 против η 1 = 0,60, предусмотренного «Правилами классификации, постройки и оборудования плавучих буровых установок (ПБУ) и морских стационарных платформ (МСП)», часть II «Корпус Российского морского регистра судоходства (2006 г.) для основных конструктивных элементов корпуса в режиме транспортировки». Одним из важных и сложных вопросов при обустройстве морских месторождений является максимально возможное снижение объема строительно-монтажных работ, выполняемых в открытом море в условиях незащищенной акватории. Для обеспечения этого идут на укрупнение монтажных единиц, массу которых ограничивает в основном грузоподъемность крановых средств. Как правило, такие монтажные единицы это сложные пространственные многоярусные сооружения различной конструкции и назначения. Но всех их объединяет одно необходимость уменьшения массовых характеристик за счет несущих металлоконструкций. Поэтому расчеты прочности и деформируемости при подъеме являются одним из основных средств Рис. 9. КЭ-модель для проверки местной прочности подкреплений под обух достижения цели, а ПК ANSYS мощным инструментом для успешного решения поставленной задачи. Вопросы обеспечения прочности при подъеме модулей-тяжеловесов возникают также в процессе строительства на заводе. В смысле использования ANSYS эти случаи аналогичны, хотя существенно отличаются величинами расчетных нагрузок и допускаемых напряжений. В активе ЦКБ «Коралл» выполнение расчетов прочности модулей массой до 2 тыс. т. Рассматриваемый жилой модуль (ЖМ) представляет собой сложную пространственную конструкцию длиной 27,7 м, шириной 22,2 м и высотой 14,25 м, состоящую из несущего днища, пяти палуб, наружных и внутренних стенок; масса ЖМ 1395 т. При этом расчетная нагрузка на один обух (в плоскости обуха) составляет около 7000 кн. Общий вид ЖМ представлен на рис. 8. Далее приведена общая схема проверки прочности при подъеме ЖМ. Расчет прочности ЖМ при подъеме состоит из четырех частей: расчет общей прочности; глобальная КЭмодель на рис. 8; расчет местной прочности подкреплений под обухи и примыкающих к ним конструкций; локальная КЭ-модель на рис. 9; расчет прочности обухов; локальная КЭмодель на рис. 10; расчет прочности проушины обуха; локальная КЭ-модель на рис. 11. При расчете общей прочности ЖМ и местной прочности подкреплений нагрузка от собственного веса металлоконструкций с учетом расчетных коэффициентов формируется автоматически средствами ANSYS. При проверке местной прочности подкреплений и обухов нагрузки в КЭ-моделях пред- Технологии 6 Рис. 10. КЭ-модель для проверки местной прочности тела обуха Рис. 11. КЭ-модель для проверки прочности проушины обуха ставлены как узловые, а по граничным сечениям локальных КЭ-моделей введены соответствующие закрепления по данным счета глобальной КЭ-модели. Для моделирования пластинчатых конструкций всех КЭ-моделей использован элемент типа Shell181. Стержневые элементы Beam188 использованы для моделирования ребер жесткости (основного набора) и поясков некоторых рамных балок. Конструкция обухов для подъема такова, что толщина проушины (s) составляет = 110 мм. Поэтому для моделирования обуха и проушины в локальной КЭ-модели для расчета прочности проушины использованы объемные элементы типа SOLID95. Для определения контактных напряжений в эту модель включен фрагмент пальца такелажной скобы, также смоделированный с помощью элементов типа SOL- ID95. На контактных поверхностях отверстия проушины и пальца применены элементы типа TARGE170 и CONTA174. Рис. 12. Проушина обуха. Эквивалентные напряжения σ е В результате расчетов в ANSYS для различных вариантов подкреплений под обухи и конструкций, к ним примыкающих, был определен оптимальный по параметру «прочность масса» конструктивный тип ЖМ. Возможность относительно простой реализации в ANSYS расчета контактных напряжений в проушине (рис. 12) весьма актуальна, поскольку в последнее время отдельные страховщики рассматривают именно МКЭ-расчеты вместо традиционных ручных расчетов прочности обухов. Приведенные примеры использования ПК при проектировании корпусов объектов освоения шельфа показывает, что ANSYS является высокоэффективным инструментом изучения напряженного состояния сложных пространственных конструкций. Приемлемая скорость работы решателей ANSYS позволяет выполнять многовариантные расчеты прочности в условиях жестких ограничений по срокам проектирования. На персональном компьютере Intel Pentium 4 CPU, GHz, 512 MB RAM продолжительность счета линейной задачи на 10 6 элементов составляет 4 мин, а нелинейной при 5, элементов 11 мин. При таком быстродействии вполне реально, рассматривая различные варианты конструкции, изучить и степень влияния на результаты счета изменений на входе процесса (типы элементов, способ приложения нагрузки и др.), чтобы показать высокий уровень надежности результатов расчета. Это может послужить основой для постановки перед надзорными органами вопроса об уточнении нормирования прочности корпуса в части уменьшения запасов на «несовершенство методов расчетов», что будет способствовать снижению металлоемкости корпусов. Технологии 2 Использование пк ansys для расчета морской ледостойкой стационарной платформы «Приразломная» И.М.Берхин, Ю.Э.Лазоренко, ЦКБ «Коралл» Целью настоящей статьи является ознакомление читателей журнала «ANSYS Advantage» с практикой применения программного комплекса ANSYS в ЦКБ «Коралл» при проектировании платформ для добычи нефти и газа на континентальном шельфе. В статье делается попытка в самой общей форме показать принятый в ЦКБ подход к расчету прочности силовых конструкций с учетом требований правил международных классификационных обществ по проектированию плавучих буровых установок и стационарных платформ (в данном случае Правил регистра РФ далее Правил). В статье описан расчет прочности несущей конструкции ферм и палуб в районе сетки скважин Морской ледостойкой стационарной платформы (МЛСП) «Приразломная». МЛСП предназначена для добычи и глубокой переработки нефти на месторождении «Приразломное» на шельфе Баренцева моря. Общий вид платформы представлен на рис. 1. Опорное основание платформы кессонного типа имеет размеры 100Ѕ100Ѕ16 м. Платформа предназначена для установки на морское дно при глубине 21 м. Одним из основных элементов платформы является буровая вышка. Она неподвижно закреплена на подвышечном основании, которое через четыре опорных башмака опирается на два рельса, установленных на опорной раме, и может перемещаться вдоль нее (в направлении с запада на восток) с помощью гидроцилиндров. В свою очередь, опорная рама через шесть опорных башмаков опирается на три рельса, прикрепленных к трем опорным фермам и может перемещаться вдоль них (в направлении с севера на юг) с помощью гидроцилиндров вместе с вышкой. За счет этого с одной вышки можно бурить и обслуживать сетку из 40 скважин, как это показано на рис. 2. Рис. 1. Общий вид МЛСП «Приразломная» Рис. 2. Несущая ферма (фото строящейся установки) Конечно-элементная модель Для получения приемлемого размера конечноэлементной модели на основании предварительного деформационного анализа было принято решение общую систему «буровая вышка подвышечное основание промежуточная рама фермы и палубы района сетки скважин» разбить на четыре отдельные расчетные модели. Рассматриваемый фрагмент ферм и палуб в районе сетки скважин включает рельсы, опирающиеся на фермы в плоскостях T4' и T5 и на переборку в плоскости Т4 (рис. 3). Две однопролетные фермы решетчатого типа длиной по 43,5 м и высотой по 11 м опираются по концам (в плоскостях K и M) на поперечные переборки. Фермы состоят из балок, поддерживающих рельсы (на уровне верхней палубы), а также двутавровых поясов, стоек и раскосов. Рельсы выполнены из конструкционной корпусной стали и приварены к опорным балкам по всей длине. Поэтому верхние опорные балки и рельсы рассматриваются как единые балки сложного сечения (рис. 6). Рассматриваемый фрагмент включает также главную (уровень ), промежуточную (уровень ) и верхнюю (уровень ) палубы, опирающиеся на переборки в плоскостях K, M и Т4. Палубы представляют собой перекрытия размером 24,5 38 м с настилом, подкрепленным ребрами жесткости в виде коробчатых, двутавровых и тавровых балок. В расчете палубы смоделированы главным образом для передачи нагрузок от контейнеров и оборудования к фермам и поэтому оснащены только ребрами жесткости без настила. Основными несущими конструкциями, которые воспринимают нагрузку от вышки (вес вышки и оборудования, нагрузка на крюке, вет ровые нагрузки на вышку), являются фермы. В принципе их можно хорошо смоделировать балочными элементами. Исключение составляют верхние пояса ферм, нагрузка на которые прикладывается от башмаков к верхним опорным поверхностям рельсов. В этом случае распределение напряжений по высоте пояса не может быть получено при использовании балочных элементов и требуется пластинчатая идеализация. Необходимо также учесть, что для корректного моделирования передачи усилия от башмака к рельсу необходимо применять контактный алгоритм, что автоматически переводит задачу в нелинейую и требует дополнительных расчетных ресурсов. В связи с этим для минимизации размеров задачи принята следующая схема моделирования: все элементы ферм, за исключением верхнего пояса фермы Т4', смоделированы пространственными стержневыми элементами BEAM188; Рис. 3. Сетка скважин Рис. 4. Общая конечно-элементная схема Рис. 5. Верхний пояс фермы Т4. Пластинчатая модель верхний пояс (рельс и опорная балка) фермы Т4' (как наиболее нагруженный) для корректного определения распределения напряжений среза и эквивалентных напряжений по высоте выполнен в пластинчатой идеализации элементами SHELL63; соединение балочных и пластинчатых элементов произведено с помощью «жестких регионов»; передача усилия от опорной рамы к рельсам для фермы Т4' смоделирована с применением контактных элементов типа «поверхность повер
