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1、非能动管道爆破保护系统流场有限元分析此页已删为保护作者权宜 非能动管道爆破保护系统流场有限元分析机械设计制造及其自动化学生 XX 指导教师 XXXX摘要:在管道运输中经常发生管道爆破事故。为了减少损失，降低危险，必须及时地关闭管道，来切断输送液体的流通。为此提出了非能动管道爆破保护系统。此系统是一种自力式的全自动保护装置。这个系统不需要外界能量来驱动，巧妙运用流体流动的能量使管道关闭。在管道修复后，可以人为地恢复管道的正常功能。此系统主要由球阀、感流器、液压缸、驱动齿轮以及许多机械控制阀组成，通过管线连接组成一个非能动系统，安装在各类运输管道中起保护的作用。其中的感流器安装于主阀内的贯通流道中
2、，当管道爆破泄漏时，通过感流器感知速度和压力的变化，并打开阀门来驱动相应装置使管道关闭。当管道中某一处突然爆破时，感流器周围的流场分布很复杂。文章重点介绍了运用ANSYS软件进行有限元分析，把流体的模型进行网格化、加载，并设置一些环境变量后求解。求解后进行了通用后处理，以图形形式直观地说明了计算结果，从图中得到了管道出口的速度分布及流感器附近的压力值，为设计流感器的结构提供一个精确的数值。主题词:管道运输 爆破保护 有限元分析 ANSYS The Finite Element Analysis On Flow Field of Passive Pipeline Explosion Protec
3、tion SystemMechanical Design, Manufacture and AutomatizationStudent: FEI YU Adviser: DUN AXAbstract Often occur in the pipeline transportation pipeline burst. In order to reduce losses and risk, we must close the pipeline in time to cut off the flow of transmission fluid. This proposed pipeline burs
4、t of passive protection systems. This system is a type of automatic self-protection. The system does not require external energy to drive, smart use of energy of the fluid. After the pipeline being repaired, you can artificially restore the normal function of the pipeline. This system is composed of
5、 ball valve, a sense of flow, hydraulic cylinders, drive gear, and many mechanical control valves, piping connections through the formation of a passive system, installed in various pipelines in the protective effect. One of the sensor of flow valve installed in the main flow channel within the link
6、, when the pipe burst leakage, through the sense of flow velocity and pressure sensing device changes, and open the valve to drive the very device drivers shut down the pipeline. When the pipes burst in a sudden sense of a particular converter flow field around the complex, the article focuses on th
7、e use of ANSYS finite element analysis software to model fluid grid, load, and after setting some environment variables solving. After solving a common post-processing, graphical form of visual evidence of the results, obtained from the graph the velocity distribution of the export pipeline and the
8、pressure of influenza that are near the value of the structure for the design of flu device to provide a precise value.Key Word Pipeline transportation; Explosion protection; Finite Element Analysis; ANSYS.目录第一章 前言11.1 管道运输简介11.2 流体力学相关知识3第二章 管道爆破保护系统52.1 传统的管道爆破保护系统52.2 非能动管道爆破保护系统52.3 本论文研究的主要内容9第
9、三章 有限元分析方法简介103.1 有限元分析方法的发展历史及基本特点113.2 有限元求解问题的基本步骤13第四章 非能动管道爆破保护装置爆破后流场有限元分析154.1 确定ANSYS分析所需数据154.2 利用ANSYS进行流场有限元分析184.2.1 导入模型184.2.2 定义工作标题和设置参数194.2.3 定义单元类型204.2.4 网格划分214.2.5 定义管道边界条件234.2.6 求解的过程264.2.7 通用后处理29第五章 结论与展望385.1确定感流器尺寸385.2尺寸校核395.3展望39参考文献40致谢41第一章 前言1.1 管道运输简介目前管道运输始于19世纪中
10、叶，在1985年美国的宾夕法尼亚州建成第一条原油输送管道。但是，它进一步的发展则是从20世纪开始的。管道的建设进入了一个新的阶段是随着第二次大战后石油工业发展进行的，从而各产油国竞相开始兴建大量的石油及油气管道。从20世纪的60年代始，逐渐建成了成品油的输送管网系统，并且输油管道的发展趋于采用大管径、长距离。与此同时，也开始尝试运用管道输送煤浆。目前全球管道运输承担了很大比例的能源物资运输，包括原油、天然气、成品油、煤浆、油田伴生气等等。它完成的运量通常大大高于人们想象(比如在美国几乎接近于汽车的运输运量)。而且近年来管道的运输也被进一步研究运用在解决散状物料、集装物料的运输、成件货物和发展容
11、器式管道输送的系统。管道运输不仅运输量大迅速、连续、经济、平稳、安全、可靠而且占地少、投资少、费用低，并可实现自动的控制。除了广泛用于石油、天然气长距离运输外，还可运输矿石建材、化学品、煤炭、和粮食等等。管道运输可省去水运的或陆运的中转坏节，降低运输成本，缩短运输周期，提高运输的效率。目前管道运输的发展趋势为：管道口径不断增大，管道的运距迅速增加；运输能力大幅度的提高；运输物资由原来的石油、天然气、化工产品等流体逐渐扩展为煤炭、矿石等非流体。中国当前已建成胜利油田至南京、大庆至秦皇岛的等多条原油管道的运输线。就液体与气体而言，凡是在化学上稳定物质都可以用管道来运送。因此，废水、泥浆、甚至啤酒都
12、可以用管道来传送。此外，管道对于运送石石油与天然气来说是十分重要的。1.用管道运输的优点在五大运输的方式中，管道运输具有着独特优势。所以在建设上，与铁路、公路、航空相比而言，投资要少很多。对于油气运输，管道运输有着独特优势，首先因为它平稳、不间断输送，对于现代化的大生产来说，油田不停进行生产着，管道也可以做到不停地运输，炼油化工工业可以不停生产成品，满足国民经济的需要；二是实现了安全运输，对于油气来说，火车、汽车运输均有很大危险性，所以国外称之为“活动炸弹”，但是管道在地下密闭输送，所以具有极高的安全性；三是保质，管道在密闭的状态下运输，油品不会挥发，质量不受到影响；四是比较经济，管道运输的污
13、染低、损耗少、运费低、占地少。作为易燃易爆的高危险性流体的成品油，管道输送应该是最好运输方式。与其他运输方式相比，用管道运输成品油会有运输量大，劳动生产率高、建设周期短，投资少，占地少；运输的损耗少，无“三废”排放，有利于环境生态的保护；可以全天候连续运输，事故少、安全性比较高；以及运输自动化，成本和能耗小等许多明显的优势。这些主要优点可概括如下：A运输量大。B占地面积少。C 管道运输安全可靠、连续性强。D 管道运输的建设周期短、费用低。E管道运输的成本低、耗能少、效益好。 2.用管道运输的缺点A灵活性较差B运输成本高。3.管道运输的前景截止在2007年，中国已经建油气管道总长度在6万千米左右
14、，这些包括天然气管道3.1万千米，原油管道1.7万千米，成品油管道1.2万千米。中国已逐渐形成了跨区域油气管网供应格局。随着中国石油企业“走出去”战略实施，中国石油企业在海外合作区块和油气产量的不断增加，海外份额油田或合作区块外输原油管道同时也得到了发展。未来10年也是中国管道工业的高速发展期，得益于中国经济持续快速发展和能源结构的改变1。1.2 流体力学相关知识作为一个力学的分支，流体力学主要研究内容是在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体的壁面、流体和流体间的、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。在生活、科学技术、环保及工程中具有重要应用价值。它主要研究的是流体本身的运动
15、状态和静止状态，以及流体和固体界壁间的有相对运动时的相互作用和流动的规律2。流体力学中有时还用到宏观的电动力学基本定律、本构方程和化学、物理学的基础知识。不过研究得最多的流体还是空气和水。它主要基础是牛顿的运动定律和质量守恒定律，经常还要用到热力学的相关知识。大家都知道，流体力学中的许多假设都是以方程的形式表示。举个例子，在一些流体中，比如说三维的不可压缩流体，关于质量守恒的假设的方程是这样的：在任意封闭的曲面里面，从曲面进入封闭曲面里的质量速率，需要和由曲面离开封闭曲面内的质量速率相等。如果换个说法的话，就是当曲面内的质量为定值时，曲面外的质量也是定值。流体力学假设所有流体满足以下的假设：A
16、.动量守恒；B.质量守恒；C.连续体假设。在流体力学中流体的密度为一定值。这也常常说成流体是不可压缩的。不过，对于气体来说就不是这样的情况了，气体是不可压缩就说不通。通常来说气体可视为非粘性的流体。同样的，有的流体黏度也可视为零。也就是我们常说的非粘性流体。如果流体的黏度不为零，在流体周围有容器包围着，那么就规定流体在边界处的速度被赋为零值。第二章 管道爆破保护系统2.1 传统的管道爆破保护系统到目前为止，已经有传统的管道的爆破保护系统运用于实际生活中。像气液联动的紧急截断系统。这个系统的原理是利用多个阀门和储能罐，把爆破引起的压力信号经过多级传递、转换和放大，从而形成足够大的推力，同时推动液
17、力驱动的装置，最后驱动球阀的截断流道。不过这种管道爆破的保护系统靠借助储能罐的外加力才能实现管线的关闭保护过程，因为它的结构比较复杂，而且压力降的信号传递路线也长。而国外的输送管道的爆破保护系统，最早采用的是ERM系统管道安装传感器（涡轮流量计），用这种方式来测量和传送正比于实际泵加输量的信号，进一步通过计算机连续的进行计算，从而可以画出流量差示的曲线对比，当到达一定值时来确定大泄漏，最后指挥电动阀切断泄漏的管段的流体。从以上不难看出，该系统的测量误差很大，可靠性差，反应也比较慢，最不能让人容忍的是投资大，不能得到广泛地应用。不过随着先进的技术的出现，已经建立了相当多的自动化和控制系统，像DC
18、S、SCADA、GPS 、VSAT、RS等这些系统，可以准确地将状态、信号、指令传达到每一个点，并准确地实现紧急切断动作，与此同时多种紧急的切断装置也相继问世：从古老的重锤、电动式、气动式、液压式、气液式、齿条式到现在的卫星控制、总线控制、计算机控制，有许多的控制装置，这些装置也可以结合使用，达到最合理的配合方式。有一点值得注意：运用这些装置会造成很多事故，同时也有许多起因。不同技术的路线可以确定动力源的可靠性。未来研究的发展的方向就是在于此3。2.2 非能动管道爆破保护系统在日常生活中有许多爆破泄漏的事故，在长输管道中也不例外。这些意外会造成很大的经济损失，如果是是运输危险化学物品的管道，可
19、能会引起周边群众的生命危险。因此，管道爆破后减少损失，降低危险的首要工作就是当管道发生爆破时，要迅速地关闭管道，并切断输送液体的流通。由此来研究该非能动管道爆破保护系统显得相当的重要。本文讲述的非能动管道爆破保护系统是一种自力式的全自动保护装置。当然，爆破保护的值要根据需要进行预先设定，当达到此值时，应该迅速截断输送管道从而制止泄漏事故。这样就可以迅速减少损失，降低危险。灵敏度的高低是由保护值的误差范围决定的。不过要保证在管道稍有泄漏的时候，该装置迅速关闭来起到保护作用。做为一个常识，大家都知道非能动管道爆破保护在管道的运输业方面的重要性。所以在国内，就有人长期从事流体控制研究。同时在国际上也
20、率先提出非能动管道爆破系统的控制构想。非能动的基础元件已经在我国核能等领域的高温、高压、石油、化工、天然气、海上石油、航空、超低背压、强腐蚀；超低开启压力；脉冲振荡、瞬态突变系统中已经可靠地运行了十几年，这些基础的元件解决了最重要工业领域和国防领域的许多关键问题。本文也将用到这些元件。以上提到的爆破保护是非常用实际应用价值的。由于管道爆破保护在管道运输业方面的有相当重要的地位，所以国内外有很多人士致力于这方面的研究。这些人一直在研究管道运输爆破保护的系统，重点在于提高管道爆破保护的响应速度和精确性，进一步降低成本和提高管道爆破保护装置的环境适应性，最后的目标是提高爆破保护的可靠性和自动化程度4
21、。本实用新型利用管道爆破泄漏时流体管线中流体流速急剧变化的特点，采用在流道中设置感流器，感测流速的急变，和将流体引入与主阀杆相连的控制缸以控制主阀来实现其目的。非能动管道爆破保护系统结构如图2-1所示，由主阀、信号感应采集系统和驱动系统构成。信号感应系统由一系列传感器和信号传输装置构成，还包括与主阀做成一体的感流器。驱动装置由一个驱动液压缸和蓄能器以及连接管组成。本实用新型的自力式管道爆破保护器，包含有能与流体管3连通的阀体2和与阀体中的主阀芯相联的主阀杆4的主阀1及其控制器，该控制器有液力活塞式的控制缸5和感流器15，上述控制缸的控制活塞6连接的控制杆7与主阀杆传动相联、控制缸的缸口有控制阀
22、，上述感流器与流道相通、有感流管16和经阀座18连通的控流管17、感流管中有与阀座呈启闭配合的阀芯19及其复位弹簧20、感流管与流体管的流道相通、控流管与控制缸连通。上述的感流器15可以设置在主阀芯21中，感流器的控流管17沿轴线贯穿管形的主阀杆4。上述的主阀1上端可以连接有将控流管17与控制缸5连通的储压缸26，在储压缸中有气囊27。上述的感流管16沿流体管3的流线设置，并可以与控流管17连接呈T字形。上述的控制缸5的缸口的控制阀可以是反向阻尼阀23、24、或电磁阀13、或手控阀。上述的控制缸5的控制杆7与主阀1的主阀杆4可以呈齿轮齿条传动联接。上述的主阀可以是外力式阀门，如球阀、闸板阀、蝶
23、阀、调节阀、梭式调节阀、截止阀、梭式截止阀等5。主阀1的结构选用球阀结构，阀杆4制成有圆柱形的贯通管腔的管形，并使主阀杆的管腔与主阀腔的流道贯通。控制缸呈横置地与主阀上端的阀盖左部相连接。控制缸的右端有缸口10和缸口11，左端有缸口22。缸口10装有通常的反向阻尼阀23。缸口11装有通常的电磁阀13，经接管12与液压缸接通。缸口22装有通常的反向阻尼阀24，并经接管25与流体管2接通。蓄能器选用成品气囊式蓄能器，储压缸中装有通常的内充气气体的气囊27，蓄能器通过管路分别与感流器控流管和驱动液压缸连接。上述的感流器15的特点是：感流器的感流管16装在主阀1的主阀芯21的流道中，感流器的控流管17
24、向上沿轴线贯通穿过主阀杆4的管腔后伸入储压缸26。1.主阀2.阀体3.主管道4.阀杆5.控制缸6.活塞7.控制杆8.齿条9.压缩弹簧10.控制缸进口11.控制缸出口12.连接管13.电磁阀14.驱动齿轮15.感流器16.感流管17.控流管18.阀座19.阀芯20.复位弹簧21.阀芯底座22.缸口23.反向阻尼器24. 反向阻尼器25.连接管26.储压缸27.储压气囊图2-1 非能动控制压力管道爆破保护系统结构原理图本实用新型的上述结构，使其具有如下的优点和效果：1.本实用新型的感流器和控制缸的结构，利用管道爆破故障，流体泄漏导致流体管中流体的流速急剧变化而在感流器的感流管两端产生动能差，传至感
25、流器中的感流管，推动阀芯，使呈常闭状态的阀芯与阀座转成开启状态，流体从感流管经阀座、控流管进入控制缸，推动控制活塞，经控制杆、主阀杆传动而关闭主阀，关闭管线，从而保护管线、防止大量流体泄漏损失；当感流管两端动能平衡时，阀芯在复位弹簧作用下复位，阀芯与阀座复位呈关闭状态，在故障排除后控制缸复位，阀芯与阀座复位呈关闭状态，在故障排除后控制缸复位，传动主阀复位，从而实现对主阀的控制。本实用新型具有利用流体动能自力控制主阀关闭保护流体管线的优点；特别是由于感流器能接受主阀前方和后方的流体动能变化而具有双向感测和无须人为操作的优点6。2.本实用新型采用将感流器设置在主阀的主阀芯的流道中的一体式结构，具有
26、整体体积小，便于在管道上安装的优点。储压缸中的气囊结构，在流体经储压缸进入控制缸的前段时间流体动能较大时储蓄压能，在主阀关闭尾端时间，流体动能较小时释放压能，具有主阀关闭可靠的优点。3.本实用新型的控制缸缸口的电磁阀结构，能在自力式的基础上实现远程控制。控制缸缸口的手控阀结构，能在通过感流器和控制缸自力式关闭主阀后，采用人为方式开启手控阀，使主阀和控制缸复位。4.本实用新型的控制缸缸口的反向阻尼阀结构，具有延时作用，以保持主阀的当前状态。即可保持主阀的开启状态或关闭状态。5.本实用新型的控制缸的控制杆与主阀杆呈齿轮齿条传动联接，具有结构简单，运行可靠地优点。保护系统在正常工作状态时，感流器15
27、的阀芯19与阀座18呈闭合配合，即感流器呈关闭状态7。控制缸5右端缸口11的电磁铁13呈关闭状态；流体管3中的流体，经接管25，反向阻尼阀24，缸口22，进入控制缸5的左端缸腔，右端缸腔中的流体经缸口10，反向阻尼阀23，进入储压缸26，并压缩气囊27，并在弹簧9的联合作用下，使控制活塞6.置于并保持在缸体内的右端，保证主阀1呈全开状态。当管道右端某位置发生爆破后。流体管3中的流体正向流动，高速流体从左端进入感流器15，推动阀芯19右移，并压缩阀芯右侧的复位弹簧20，使阀芯与阀座呈开启状态，即感流器15开启。流体经感流管16，阀座18，控流管17，储压缸26并压缩气囊27，再经反向阻尼阀23，
28、控制缸的缸口10，进入控制缸5的右端缸腔，同时左端缸腔中的流体经缸口22，反向阻尼阀24，接管25，排入流体管3。并在气囊27释放压力膨胀的联合作用下，推动控制活塞6左行并压缩弹簧9，控制杆7随活塞左行，经控制杆上的齿条8，驱动齿轮14连同主阀杆4转动，关闭主阀1。在主阀的关闭过程中，流体管中的流速及压力逐渐降低，感流器15的阀芯19在复位弹簧20的作用下，逐渐关闭，保证主阀可靠的关闭，切断流体管中的流体，实现管线保护。此时，感流器15中的阀芯19在复位弹簧20的作用下复位，阀芯19与阀座18闭合，感流器呈关闭状态。当管线修复后，感流器仍保持关闭状态，控制缸5右端缸口11的电磁阀13开启，控制
29、缸的右端缸腔中的流体，经缸口11，电磁阀13，接管12排入液压缸而泄压。控制缸在从流体管3进入右端缸腔的流体压力和弹簧9的联合作用下，推动控制活塞6及控制杆7右行回位，控制杆上的齿条8反向驱动齿轮4连同主阀杆4反转，主阀1回位开启直至全开，保护器恢复输送流体的工作状态。本装置由于控制缸4的缸口11经接管12与流体管3接通，其特别优点是在运行过程中控制缸4右端缸腔的流体排入流体管3而不会向外界排出流体，避免流体污染环境，减少流体的外排损失。此外，可以将控制缸4缸口11的接管12与大气相通，或在接管出口加装蓄池，使控制缸排出的流体排入蓄池。这种结构在管线修复后控制缸复位时，控制缸的右端缸腔的压力为
30、大气压，而使复位更加可靠，但会有从接管12排出的少量流体损失。2.3 本论文研究的主要内容本文的主要内容是是借助ANSYS工具来设计感流器结构。在设计之前，先确定原始数据。具体过程如下。通过观察非能动管道爆破保护系统的结构可以看出，感速装置感流器安装于主阀（球阀）的主阀芯的流道中。因此为确定约束了的整个感流器的尺寸，需同时考虑以下因素：横截面直径要比主阀主阀芯的直径小得多，长度要比主阀主阀芯的的长度小，对高速高压主管道的流速和压力的影响最小等。同时还要考虑整个感流器的形状以及安装于其中的阀芯的形状。1.阀芯形状的确定阀芯是借助它的移动来实现方向控制、压力控制或流量控制的基本功能的阀零件。作为精
31、度很高的零部件，它有很多种形状，针对不同的情况可以选择很多种实用的形状。本文中注意到控流管17的横截面为圆形，而阀芯正是为了堵住该孔，因此和该孔接触的必然为一个平面，即阀芯形状不能为圆柱形，可以选择方形或者平面朝上的半圆柱形等，但为了方便复位弹簧20的安装，选择正方体为该阀芯的形状。同时感流器的形状选择为对管道中流体的阻碍作用最小的圆柱形，且进口处加工为对流体阻碍作用最小的圆角进口。2.感流器长度确定感流器长度需要综合考虑阀芯的长度、复位弹簧的自由长度、复位弹簧的最大压缩率对应的压缩后长度以及感流器的壁厚。弹簧的自由长度=(行程+预压量)/压缩比。其中预压量一般取(10-15)毫米,压缩比越小
32、寿命越长,一般取(30%-40%)。本文中为了使感流器完全安装于球阀阀芯中，弹簧选择轻弹簧，压缩率可以取大点。选择复位弹簧的压缩率为65%，即弹簧的自由长度L*65%=行程+预压量。预压量取10mm，同时注意到阀芯安装于位于主阀主阀芯中间的控流管下面，所以为便于感流器安装选择对称布置。3.感流器的安装方式因为该非能动管道爆破保护系统的感速装置感流器为精密装置，其中的阀芯运动轨道要求精密度很高，要通过精密加工方能完成，所以考虑该装置时要充分考虑加工的方便性和结构的实用性等。采用在感流器两端开端面用螺钉固定的方式安装感流器，这样不但便于感流器的加工，同时也便于装配。同时，复位弹簧与阀芯接连在一起。
33、4.初步确定尺寸假定感流器的材料为一般管道材料。阀芯长度需满足大于控流管管径，而控流管管径需满足有足够的流量进入以推动液压缸使齿轮带动球阀关闭管道通路。由于爆破后长输管道流速很大，由Q=AV得控流管的管径可以适当取小，这里初步确定为60mm，阀芯左右各留20mm的余量，则阀芯长度为100mm.当感流器完全打开时，阀芯至少向右移动80mm，假设复位弹簧的行程为80mm，由压缩率公式可知弹簧自然原长为L=（80+10）/65%=138mm，考虑到当爆破点很远时也能有灵敏度，取一部分余量，取L=145mm，则弹簧的总压缩行程为94.25m 80+10mm。弹簧在感流器中的长度为：145（自由长度）-
34、10（预压缩量）=135mm。取左右壁厚为15mm。整个感流器长度为15+135+100+135+15=400mm阀芯长度为100mm为了让感流器反映迅速，阀芯选择为长方体，各尺寸为10010060mm，截面尺寸为10060mm。感流器上下壁厚取35mm，取直径d为130mm得出感流器的设计尺寸图如图2-1，其中：感流器整体尺寸130400mm；阀芯尺寸10010060mm；复位弹簧长度尺寸145mm。 2-1流感器结构示意图第三章 有限元分析方法简介3.1 有限元分析方法的发展历史及基本特点有限元的方法提出的很早，大约在20世纪的40年代就有人提到过。有人提出用格栅的集合体去表示二维与三维的
35、结构体，这可能就是是分化分析的最初模型。后来也有人运用了“单元”的办法，然而没有人当做重要的方法去研究。所以这个想法已经被控制在起初阶段。后是到了20世纪的50年代，有限元这种分析方法就引起了人们的广泛兴趣和重视。这可能是因为工程上的需要，还有就是随着高速电子计算机的出现与应用才导致这样的结果。再后来又有人运用了矩阵变换方法来分析壳体的结构。到了阿吉里斯时代，他就相继发表了许多有关结构分析矩阵方法的论文，而且在1960年出版了能量原理与结构分析一书。此书尤其对弹性结构的基本能量原理做了综合和推广及应用，而且发展实际的分析方法，对有限元分析奠定了基础。1955年，特纳时，克拉夫，马丁等人在他们的
36、著作中提到了刚度系数的计算方法。他们的位移法适用于平面应力问题，结构分为三角形和矩形元素。每个单元的功能与在节点单元刚度矩阵单元节点力和位移特性有关。特纳于1959年正式提出用直接刚度法建立有限元方程。“有限元分析”的名称由克拉夫在1960年首先提出。在1960-1970的10年中，许多学者，如王有林，王静思，普拉格等对有限元模型做出了杰出的贡献。奥登从1969年的能量平衡方法开始，对热弹性有限元分析方程列出了结果。威廉姆斯于1969年已经对平面问题进行有限元求解。有限元理论的结构，因为它的理论和公式近年来逐步改善和扩展，由静态分析向动态发展。该方法已被应用到各个领域。如分析热传导，流体力学，
37、数字，点磁场的问题8。有限元分析是解决复杂问题，而不是后来相对简单的问题。这将解决这一领域作为一个由许多小的子域联网，各单位承担适当的有限元素的近似解，然后推导出解决该领域的条件，如结构的平衡条件，该解决方案是一个问题9。这个解决方案是不准确的解决方案，为近似解，因为真正的问题是由一个更简单的问题所取代。由于大多数很难得到实际问题的精确解，而不是只高精度有限元，并能适应各种复杂的形状，从而成为工程分析的有效手段。有限元方法和边界值问题的解决类似的其他方法的根本区别是，逼近仅限于相对小的子域10。20世纪初第一次的结构力学的有限元计算。克拉夫教授生动地形容为：“有限元法=瑞利里兹法+碎裂功能”，
38、即有限元法的概念是瑞利里兹法化的情况。有限元法优于其他近似方法。有限元分析方法的一些发展趋势11：1.有限元分析软件与CAD软件的集成。CAD软件，用于完成零部件模型设计。与有限元集成后，该模型可直接进行分析和计算，如果分析结果不符合要求，可以重新设计和分析，直到满足设计要求。大大提高了设计和效率。2.一个更加强大的有限元方法解决问题的基本过程包括：离散对象的分析，有限元解，处理结果。由于分散的网格结构的质量直接影响到计算时间和解决方案的结果，近年来软件开发商增加了其在网格处理方面的投资，使网格生成质量和效率有了很大提高。 3.线性问题的科学和技术，远远不能满足设计要求,如损失和破坏，裂纹扩展
39、，由线性理论的很多工程问题不能解决，因此我们必须解决非线性分析。 4.在解决单一结构发展到解决耦合场的有限元法主要用于求解线性结构中的应用问题，实践证明这是一个非常有效的数值方法。但是，在理论上也表明，对于离散单元足够小的难题，该解决方案不能得到足够精确的值。随着更多和更深入的有限元应用，人们关心的是解决方案必须配合CAE软件开发领域5.有限元的程序是以用户为导向的。但用户的需求各不相同，让用户根据自己的软件，定义材料结构和流场边界条件，以及断裂准则及裂纹扩展等也成为有限元的发展趋势。3.2 有限元求解问题的基本步骤第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第
40、二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵(结构力学中称刚
41、度阵或柔度阵)。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组)，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计
42、准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；处理阶段也就是软件进行计算的过程；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。第四章 非能动管道爆破保护装置爆破后流场有限元分析4.1 确定ANSYS分析所需数据当长输管道某点爆破后，将引起整个管道中流速和压力的急剧变化。由于流阻等的阻碍作用，整个管道中不同点的压力和流速变化不尽相同。为了方便对感流器附近流场的研究，选择感流器附近的一点为研究对象，通过该点爆破时在理想情况下引起的流速和压力变化的理论公式，确定该点爆破引起的流速
43、和压力变化的理论值。以此作为ANSYS分析的初始数据，通过ANSYS对复杂流态的模拟分析确定相对精确值，作为最后确定感流器尺寸的重要约束数据13。当主管道3下游未发生爆破时，在感流器处取速度v1=1.5m/s, 压力p1=1.6Mpa 主管道管径d=0.5m。管道中的介质为水，在20摄氏度时的运动粘度为0.000001m/s，=9797N/m。取质量为m的水为研究对象，则重力w=mg.现在研究管道中的能量141：管道中的能量包括：重力势能、动能和压力势能等。重力势能：假定管道相对零势能点的势能高度为Z，则该点的重力势能为wz。动能：假定重为w的流体在某点的运动速度为v，则该部分流体在该点的动能
44、为:E=压力势能：假定重为w的流体在某点的压力为p，则该部分流体在该点得压力势能为:E=因此，重为w的流体在某点的能量为：Q=wz+ + 应用到主管道3中，感流器处的能量为：Q=wz+当下游某点发生爆破，为便于研究取下游100m处爆破，此时爆破点p=0，设速度为v 则： Q=wz+由伯努利方程知： Q= Q+wH-wH+wH.其中：H为管道中的沿程流阻损失的能量高度。 H为管道中泵提供的能量高度。 H为管道中马达消耗的能量高度。由于该管道为直管道，不同点的势能高度基本相同，即z= z，所以展开后的伯努利方程为：wz+= wz+ wH -wH +wH消去w得：z+ += z+ + H-H+H消去
45、z得：+= + H-H+H由于本管道中没有马达和泵，因此H与H均为0.该方程简化为：+= + H其中p、v、g、p已知，欲求得v，必先计算出H.H由流阻决定，包括由于粘度带来的阻力、管道表面粗糙度带来的阻力以及感流器带来的阻力等。H可以用达西公式计算。即：H= 其中与雷诺数N和管壁的相对粗糙度有关。假定本文中的管道为光滑管，不考虑相对粗糙度。即只与雷诺数N有关。N是关于速度V的函数，本文研究的是爆破后的稳态流场，所以这里的V是管道爆破后的稳态速度，非瞬态速度。即：N= =500000 v（v1.5） 2320属紊流。由尼古拉兹提出的适应于全部光滑管紊流区的半经验公式15：=2（N）-0.8得出
46、：=2（500000 v）-0.8 3-1又H= =10.2 v 3-2由于感流器安装于管道的流道中，它的存在将会让流体损失很大的能量。当管道在下游很远处爆破时它的阻碍作用可以忽略不计，但本文中100m处要考虑它的影响。假定它的阻力系数为16。查相关手册知=0.2。则：H=0.2 =0.01v 3-3所以：+-10.2 v-0.01v= 3-4即163.43-10.2 v=0.041 v 3-5联立3-1、3-5.由3-5得：v= 3-6将3-6带入3-1中得：=2+10.6 3-7化简得：=-（0.041+10.2）+12.8 3-8用试算法解3-8可得：=0.0074v=37.46m/s由
47、于管道爆破后流体流速很快，沿程速度损失很小，所以整个管道的X方向速度基本一样，其他方向的速度和X方向比较相对较小，本文中忽略不计。所以ANSYS分析所需数据为：进口处X方向速度为37.46m/s，其他方向速度为零，所有壁面处两个方向速度为零。4.2 利用ANSYS进行流场有限元分析流体的分析模块是FLOTRAN CFD。本文将利用该模块进行流场分析。实际问题描述如下：本文是对长输管道的三维模型进行分析，分析时假定进口速度均匀，并且垂直于进口流场方向上的流体速度为零。在所有壁面上施加无滑移边界条件（即所有速度分量都为零）；假定流体不可压缩，其性质为恒值，在这种情况下，压力就只考虑其相对值，因此在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零。流体的性质如下：爆破点距离： 100m假定流体密度： =1000kg/m假定流体粘性：
