基于Abaqus的蒸汽管道应力分析

热应力分析实例详解学习要点通过实例分析，学习如何进行热应力分析，并掌握ABAQUS/CAE 的以下功能：1）在Material 功能模块中，定义线胀系数；2）在Load 功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场；实例1：带孔平板的热应力分析定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Elastic, 输入弹性模量和泊松比定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Expansion, 输入线胀系数定义边界条件——Load定义边界条件——Load定义边界条件——Load固支边界条件使用预定义场定义初始温度Load——PredefinedField Manager使用预定义场使模型温度升高至120℃网格划分——Mesh结果分析——Visualization小结在ABAQUS中进行热应力分析的基本步骤：⏹定义线胀系数⏹定义初始温度场⏹定义分析步中的温度场实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟问题描述：◆表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，其原理是使用感应器来对工件的局部进行加热，然后迅速冷却，从而使工件表面产生残余压应力，抵消工作载荷所产生的一部分拉应力。

◆表面感应淬火可显著提高工件弯曲疲劳抗力和扭转疲劳抗力，工件表面产生的马氏体具有良好的耐磨性。

实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟 本例中的法兰盘经淬火后，由试验测得法拉盘的内圆角表面残余压应力约为-420MPa。

法拉盘的一端固定，另一端的整个端面受向下的面载荷p=100MPa，法拉盘内孔直径为24mm，材料的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，线胀系数为1.35e-5/ ℃。

要求：模拟分析感应淬火所产生的残余应力场，并分析此残余应力场在缓和应力集中方面所起的作用。

基于ABAQUS的管道外壁点蚀引起的应力分析摘要：本文通过对在外壁分布有不同尺寸的半球形点蚀的管道引起的应力集中进行了有限元分析和计算。

通过对输出的Mises应力进行分析，发现外壁上的半球形点蚀及其附近区域存在着Mises应力集中区，这个应力集中区主要沿着轴向力方向分布在点蚀嘴以及点蚀坑内，它的形状与点蚀半径无关。

此外，还发现在点蚀坑最深处的Mises应力最大。

此处最有利于裂纹萌生，对于管道安全的影响最大。

并且存在某一临界尺寸，当点蚀半径小于该临界尺寸时，外壁点蚀引起的最大Mises应力值随着半径的增加而迅速增大，当点蚀半径大于某一临界值后，外壁点蚀引起的最大Mises应力趋向饱和。

关键词：管道；点蚀；应力;有限元；中图分类号：TB301文献标识码：A1引言管道运输是一种以管道输送流体货物(通常是液体和气体)的运输方式。

管道运输具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低、安全性高等优点，因此管道运输在我国已成为继公路、铁路、航空、水路运输之后的第五大运输行业。

管道运输在各行各业中都得到了广泛的应用，比如石油、化工、电厂、自来水、核电站、建筑等行业都少不了管道运输[1-3]。

管道通常是埋在地下或在大气中进行使用。

土壤和大气中都存在着腐蚀性介质，再加上管道所使用的材料通常为钢铁。

因此管道外壁容易发生电化学腐蚀[4]。

通常在管道外壁采取一定的防腐措施，比如涂层、阴极保护等[5]，然而很多工程实践证明这些方法并不总是有效，尤其是在长期使用或更苛刻条件下使用的情况。

我国每年因腐蚀造成报废的管道、阀门等构件数量可观。

这不仅带来巨大的金属资源的浪费，还给生产生活带来很大的影响。

管道外壁的腐蚀形式通常有均匀腐蚀和局部腐蚀两类。

均匀腐蚀是整个管道表面腐蚀速率比较均匀，一般危险性较小。

局部腐蚀是腐蚀仅局限于一定区域内，或者一定区域内的腐蚀速率远大于其他区域的情况。

具体而言，局部腐蚀又可分为点蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、缝隙腐蚀等[6]。

热应力分析实例详解学习要点通过实例分析，学习如何进行热应力分析，并掌握ABAQUS/CAE 的以下功能：1）在Material 功能模块中，定义线胀系数；2）在Load 功能模块中，使用预定义场（predefined field）来定义温度场；实例1：带孔平板的热应力分析定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Elastic, 输入弹性模量和泊松比定义材料属性——Property Property——Material——Edit——steelMechanical——Expansion, 输入线胀系数定义边界条件——Load定义边界条件——Load定义边界条件——Load固支边界条件使用预定义场定义初始温度Load——PredefinedField Manager使用预定义场使模型温度升高至120℃网格划分——Mesh结果分析——Visualization小结在ABAQUS中进行热应力分析的基本步骤：⏹定义线胀系数⏹定义初始温度场⏹定义分析步中的温度场实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟问题描述：◆表面感应淬火是一种工程中常用的热处理工艺，其原理是使用感应器来对工件的局部进行加热，然后迅速冷却，从而使工件表面产生残余压应力，抵消工作载荷所产生的一部分拉应力。

◆表面感应淬火可显著提高工件弯曲疲劳抗力和扭转疲劳抗力，工件表面产生的马氏体具有良好的耐磨性。

实例2：法兰盘感应淬火的残余应力场模拟 本例中的法兰盘经淬火后，由试验测得法拉盘的内圆角表面残余压应力约为-420MPa。

法拉盘的一端固定，另一端的整个端面受向下的面载荷p=100MPa，法拉盘内孔直径为24mm，材料的弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，线胀系数为1.35e-5/ ℃。

要求：模拟分析感应淬火所产生的残余应力场，并分析此残余应力场在缓和应力集中方面所起的作用。

图2 高压气瓶有限元模型材料选材上，选用某牌号沉淀硬化马氏体不锈钢，其具有抗腐蚀、高强度等特性。

CMT5305型微机控制电子万能试验机，按照GB/T2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》选取拉伸试样，试样尺寸见图3，按照2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》进行拉伸试验获取材料力学性能参数见表1。

报,2021,38(04):428-432.[4]刘晔.急救类、生命支持类医疗设备的质控管理系统装备,2017,30(23):96-97.[5]王云志.急救医疗设备备,2017,30(04):78-79.[6]王飞,刘磊.医院急救医疗设备的集中管理,2015(04):301-302.张孙海.急救医疗设备使用监管主题实践报告,2010,25(11):3-6.[8]Nadica Hrgarek,Kerri-Anne Bowers. Integrating Six Sigma into a Quality Management System in the Medical Device Industry[J]. 图1 高压气瓶结构图76中国设备工程 2023.10中国设备工程 2023.10 料密度7.78g/cm 3，泊松比0.3，弹性模210GPa，抗拉强度1156MPa，屈服强度1104MPa。

载荷与边界条件递增趋势，且应力最大处均为右端焊缝位置处，随着压15MPa、35MPa、55MPa、图5 瓶体表面节点路径图6 瓶体表面应力分布变化曲线试验验证为验证数值模拟准确性，随机抽取该型号高压气瓶进行爆破试验验证。

试验在高压试验室防爆间进行，试验介质为纯净水。

对瓶内缓慢充入纯净水，进行水压强度爆破，记录爆破时压力。

表2为高压气瓶爆破试验数据。

图7破试验后气瓶图。

图7 爆破试验后气瓶图a）压力15MPa b）压力35MPac）压力55MPa d）压力75MPae）压力95MPa图4 不同压力下应力分布云图图3 拉伸试样表1 高压气瓶材料属性表g/cm 3弹性模量GPab σMPa2.0σMPa泊松比7.7821011561104。

基于ABAQUS软件的油气站场地基沉降管道的应力分析朱军凯;曹兴滨;方林剑;张兴国;邓帮辉【摘要】以利用全站仪测量得到的管线沉降量为条件,利用ABAQUS软件建立管道三维模型,分析地基沉降后管道应力分布情况,通过与现场实测的应力结果进行对比,验证了采用ABAQUS软件分析管道应力分布的可靠性和有效性,为管道可靠性分析及后续的沉降隐患消除提供理论依据.【期刊名称】《腐蚀与防护》【年(卷),期】2018(039)011【总页数】6页(P878-882,887)【关键词】油气集输站场;管道;ABAQUS;地基沉降;有限元分析【作者】朱军凯;曹兴滨;方林剑;张兴国;邓帮辉【作者单位】塔里木油田分公司油气运销部,库尔勒841000;塔里木油田分公司油气运销部,库尔勒841000;塔里木油田分公司油气运销部,库尔勒841000;塔里木油田分公司油气运销部,库尔勒841000;塔里木油田分公司油气运销部,库尔勒841000【正文语种】中文【中图分类】TE973随着石油工业的快速发展，石油管道敷设量迅猛增加，压力管道的使用越来越广泛，由于压力管道输送的多为高压、有毒、易燃、腐蚀性强的介质，一旦发生压力管道破损，必将造成破坏性后果。

压力管道失效是由多方面因素引起的，主要有内外腐蚀、不均匀沉降、疲劳断裂等[1-2]，因此对压力管道的运行状态进行检测至关重要。

目前，国内已逐步开展埋地管道应力分析方面的研究[3-4]，帅健等[5]认为管道在上覆土体和夯实地基的不均匀作用下会发生局部弯曲和椭圆化变形，管底夯实地基起到阻止管道下沉的作用；杨朝娜[6]定量分析了各因素如管线的埋深、材质、壁厚等对管线受力和变形的影响；张鹏[7]认为管道覆土的不均匀对管道的变形存在一定影响。

然而现有文献鲜有利用ABAQUS软件对油气集输站场内地基沉降管道进行应力分析，本工作利用ABAQUS软件根据已观测到的地基沉降，分析了埋地管道的应力，并与实测应力进行对比。

架空蒸汽管道系统应力分析研究摘要：蒸汽是工业生产公用工程中的一种专用介质，通过燃烧煤和天然气等化石燃料而加热。

通过抑制压力，水得到饱和和过热的蒸汽。

因此，蒸汽管道通常受压力和温度的影响。

蒸汽管道运行时间较长，很容易导致支架的热膨胀和失稳，从而导致全系统受力变化、局部应力过高和损伤。

蒸汽管道构件通常由合金钢组成，在高温下可能导致材料例如蠕变、内部球化、石墨化等。

并导致疲劳损伤。

本文阐述了蒸汽管道系统的应力分析，因为近年来的事故严重危害了人们的财产和生命。

关键词：蒸汽管道；柔性设计；应力分析；检验方案蒸汽管道是工业生产必不可少的压力管道，但近年来，由于经常发生蒸汽事故，蒸汽管道的安全受到越来越多的关注。

本文给出了判断管道柔性的简单经验方法。

该方法计算量小，易于与Excel等软件一起使用。

适用于现场检测管道的初步判断，但须符合该方法的适用条件。

使用CAESAR II软件进行建模可精确计算整个管道系统。

根据计算结果，及时检测管道风险，开发检测方法，克服随机采样的缺点，压力管道检测很重要。

一、工程概况蒸汽管道通过气化机组锅炉送至脱硫机组、空分机组、罐区等整个工厂的。

主要管廊分为3层:5.5米、7.5米和10.0米，蒸汽管道布置在顶部，第二层是电气仪器路径和维修路径。

管道采用“π”型自然补偿器、经过马路时的管道升高“n”型补偿器和走向改变的“z”型补偿器。

二、简易判别方式蒸汽管道的热膨胀压力会对管道和设备造成重大损害。

GB 50316《工业金属管道设计规范》规定：管道的设计温度小于或等于-50℃或者大于或等于100℃，均为柔性计算的范围。

设计的目的是确保配管在设计条件中具有足够的柔性，以避免由于膨胀、冷缩、额外的端点移动、管路支撑调整不正确等原因而造成的问题。

以下是提高管道柔性的方法:1.选择特殊补偿器，如波纹、旋转补偿器等，特殊补偿器制造复杂，成本高它们通常由法兰和管道连接，具有一定的寿命，必须根据工作条件进行定制。

ABAQUS热应力分析解析实例详解ABAQUS是一种常用的有限元分析软件，可以进行各种不同类型的分析，包括热应力分析。

热应力分析是通过模拟材料受热后发生的变形来评估材料的热稳定性和耐久性。

在这篇文章中，我们将详细介绍ABAQUS热应力分析的步骤和实例。

首先，我们需要创建一个ABAQUS模型。

模型包括几何形状、材料属性和边界条件。

在热应力分析中，我们通常需要定义一个热源，以及材料的热传导、热膨胀和热辐射等属性。

在这个实例中，我们将模拟一个烤箱的加热过程。

模型是一个简单的长方体，材料是钢铁，边界条件是恒定的热流。

下一步是定义材料属性。

我们需要定义钢铁的热传导系数，热膨胀系数和热辐射系数。

这些属性通常可以从材料手册或实验中获得。

我们将使用以下参数：-热传导系数：40W/mK-热膨胀系数：12e-61/°C-热辐射系数：0.8接下来，我们需要定义边界条件。

在这个实例中，我们将模拟一个恒定的热流输入。

我们可以通过选择“控制模拟”菜单中的“载荷”选项来定义边界条件。

在强制边界条件下选择“热流”载荷，然后指定热流的大小和方向。

我们将选择1000W的热流输入。

然后，我们需要定义分析步骤。

在这个实例中，我们将使用一个稳态热分析步骤。

在强制模式下选择“热”分析步骤，然后指定步骤的参数，包括时间步长和总时间。

我们将选择0.1s的时间步长和10s的总时间。

在模拟之前，我们需要定义网格划分。

网格划分是将模型分解为多个小元素的过程，以便于进行数值计算。

ABAQUS中有多种网格划分方法可供选择。

我们可以通过选择“网格”菜单中的“划分”选项来进行网格划分，然后选择适当的网格划分方法和参数。

当所有定义都完成后，我们可以点击“开始模拟”按钮开始进行热应力分析。

ABAQUS将使用已定义的模型、材料属性、边界条件和分析步骤来进行数值计算。

计算结果将显示在ABAQUS的图形界面中。

在热应力分析完成后，我们可以查看结果并进行后处理。

ABAQUS中的壳单元S33代表的是壳单元法线方向应力，S11 S22 代表壳单元面内的应力。

因为壳单元的使用范围是“沿厚度方向应力为0”，也即沿着法相方向应力为0，且满足几何条件才能使用壳单元，所以所有壳单元的仿真结果应力查看到的S33应力均为0。

S11 S22 S33 实体单元是代表X Y Z三个方向应力，但壳单元不是，另外壳单元只有S12，没有S13，S23。

LE----真应变（或对数应变）LEij---真应变 ... 应变分量；
PE---塑性应变分量；
注意：塑性材料第一行中的塑性应变必须为0，其含义为：在屈服点处的塑性应变为0。

4、定义塑性数据时，应尽可能让其中最大的真实应力和塑性应变大于模型中可能出现的应力和应变值。

5、对于塑性损伤模型，其应力应变曲线中部能有负斜率。