Конечно – элементные программные пакеты

Разработанный к 1950 г. метод конечных элементов послужил толчком к развитию систем инженерного анализа САЕ. В 1963 г. был предложен способ применения метода конечных элементов для анализа прочности конструкции путем минимизации потенциальной энергии.

В 1965 г. NASA для поддержки проектов, связанных с космическими исследованиями, поставила задачу разработки конечноэлементного программного пакета. К 1970 г. такой пакет под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был создан и введен в эксплуатацию. Стоимость разработки, длившейся 5 лет, составила $4 млн. Среди компаний, участвовавших в разработке, была MSC (MacNealSchwendler Corporation), которая с 1973 г. начала самостоятельно развивать пакет MSC.NASTRAN, впоследствии ставший мировым лидером в своем классе продуктов. С 1999 г. компания MSC называется MSCSoftware Corporation. В 1976 г. был разработан программный комплекс анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых структур DYNA-3D (позднее названный LS-DYNA).

Мировым лидером среди программ анализа на макроуровне считается комплекс Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems), разработанный и совершенствуемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение комплекса Adams - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения. Кроме уже названных программных пакетов на сегодняшний день существует и ряд других систем анализа, основанных на методе конечных элементов, таких как: 

· ANSYS – универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором; 

· FEM Models – система конечно-элементного анализа, преимущественно для решения геотехнических задач;

·   MSC.Nastran – универсальная система КЭ анализа с пре/постпроцессором MSC.Patran;

· ABAQUS – универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором; 

· DEFORM-2D/3D – система КЭ анализа для моделирования технологических процессов обработки давлением и резанием; 

· Impact – универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором; 

· LS-DYNA – универсальная система нелинейного динамического КЭ анализа; 

· NEiNastran – универсальная система КЭ анализа с пре/постпроцессором FEMAP; SAMCEF – универсальная система КЭ анализа с пре/постпроцессором SAMCEF Field; 

· Temper-3D – система КЭ анализа для расчёта температурных полей в трёхмерных конструкциях (теплотехнический расчёт); 

· COMSOL Multiphysics – универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором. 

· Zebulon – универсальная система МКЭ анализа с расширенной библиотекой нелинейных моделей материалов; 

· SolidWorks Simulation (ранее COSMOSWorks) – универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором.

 

Исследовательская часть

Объект исследования

Магистральные трубопроводы — это сооружения, которые осуществляют транспортировку нефти, нефтепродуктов, воды, газов и прочих веществ с производства или места добычи к конечной точке применения. К магистральным трубопроводам относятся трубопроводы и ответвления (отводы) от них диаметром до 1420мм включительно с избыточным давлением транспортируемого продукта не выше 10 МПа, предназначенные для транспортировки:

· природного газа или нефтяного углеводородного газа из районов их добычи до мест потребления;

· искусственного углеводородного газа от мест производства до мест потребления;

· сжиженных углеводородных газов (пропана, бутана и их смесей) из мест производства до мест потребления;

· нефти из районов ее добычи (от головных перекачивающих насосных станций) до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, нефтеперерабатывающих заводов или нефтехимических комплексов, пунктов налива, отдельных промышленных предприятий и портов);

· нефтепродуктов от мест их производства (нефтеперерабатывающих заводов ил нефтехимических комплексов) до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, пунктов налива, отдельных промышленных предприятий и портов);

· товарной продукции в пределах головных и промежуточных газокомпрессорных, нефте- и нефтепродуктоперекачивающих насосных станций, станций подземного хранения газа, газораспределительных станций, замерных пунктов.

Магистральные трубопроводы в зависимости от условного диаметра подразделяются на четыре класса:

I. от 1000 до 1400мм

II. от 500 до 1000мм

III. от 300 до 500мм

IV. менее 300мм

Согласно СНиП 2.05.06-85* магистральные газопроводы в зависимости от рабочего давления в трубопроводе подразделяются на два класса:

I – при рабочем давлении свыше 2,5 до 10,0 МПа включительно;

II – при рабочем давлении свыше 1,2 до 2,5 МПа включительно.

Сталь, из которой изготовляются трубы для магистральных трубопроводов, должна иметь:

а) предел прочности и предел текучести, соответствующие расчетным данным, исходя из которых определена толщина стенок труб;

б) относительное удлинение не менее 18%;

в) отношение предела текучести к пределу прочности не более 0.85;

г)  ударную вязкость при температуре -20° не менее 3кГм/см².

Рисунок 6 – Секция магистрального трубопровода

 

Основное требование к сварной конструкции заключается в том, что значения напряжений от реального нагружения должно быть меньше допускаемых напряжений. Однако, не всегда удается воспроизвести во время испытаний реальную нагрузку, особенно эта проблема актуальна для крупногабаритных изделий. В таких случаях необходимо использовать другие методы исследований. Исследование методом конечных элементов (КЭ) позволит смоделировать нагружения, максимально приближенные к реальному, с достаточной точностью вычислить напряжения, в отличие от метода сопротивления материалов, где задается слишком большой запас прочности.