基于ANSYS Workbench的气液两相参数测量仪耐压性能有限元分析.pdf

:./.基于 的气液两相参数测量仪耐压性能有限元分析李剑斌陈 林曾 世(中国电子科技集团公司 第四十八研究所湖南 长沙)摘 要:在石油、化工等诸多生产领域的生产过程中气液两相参数测量仪在各种参数的在线实时测量中发挥着重要作用它是生产稳定可靠运行的重要保证其中仪器耐压性能是一项十分重要的安全指标 利用 软件建立气液两相参数测量仪的电容模块和微波模块 模型在 软件中对模型耐压性能进行有限元分析仿真 仿真结果表明在 工作压力下各模块均处于材料允许载荷满足设计要求 研究结果为两相流参数测量仪实际生产和测试应用提供技术基础关键词:气液两相参数测量仪耐压性能有限元分析中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引 言在自然界中物质按照相态可以分为气相、液相和固相三种相态 顾名思义两相流是所组成的流体系统中含有两种不同的相 自然系统中两相流系统又可以分为气液两相流系统、气固两相流系统、固液两相流其中最为常见的就是气液两相流由于气液两相流中气相和液相具有完全不同的特性因此气液两相流在流动过程中存在非常复杂的分界面 并且气相和液相的压缩性不一致从而导致气液两相流在流动过程中分界面会随时随地发生剧烈变化 因此气液两相流的流动特征复杂多样非常具有研究价值近些年来随着现代工业的快速发展在石油、冶金、化工、电力等许多领域的生产过程中都需要对气液两相流的含水率、相含率、流速等多种参数进行实时测量 对于混合流体的多参数实时测量气液两相参数测量仪是通过结合电容、微波及文丘里等多传感器融合来实现的 在诸多两相流参数测量方法中气液两相流参数测量仪的测量方法安全可靠、经济性好、非侵入式测量、简单、响应快具有广泛的应用前景 耐压性能是气液两相流参数测量仪非常重要的一项指标该性能一般都是通过传统的试验测试法进行检测的测量方式落后测量效率较低 因此需引入先进的计算机仿真方法进行研究 仿真试验主要是对研究对象进行模拟测试获得的数据可以为后期试验和结构优化提供理论依据 笔者采用基于 有限元分析的方法对气液两相参数测量仪各模块进行耐压性能仿真分析得到其在 工作压力状态下各模块的应力情况通过分析验证确认了满足材料允许载荷的条件和依据 气液两相参数测量仪简介气液两相参数测量仪如图 所示主要由连接法机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:基金项目:科技部重大科学仪器设备开发项目:气液两相流参数测量仪开发及应用(编号:)作者简介:李剑斌()男湖南娄底人工程师研究方向:仪器仪表设计及开发兰、电容模块、微波模块、连接法兰、文丘里模块等部分构成连接法兰 和连接法兰 通过螺栓将电容模块、微波模块及文丘里模块三部分固定 电容模块的工作原理是:管道中各种不同的流体各自具有不同的介电常数当混合流体通过电容极板之间时可以测到一个等效的介电常数多组等效介电常数的测量可以实现气液两相流参数的测量 微波模块的基本工作原理是:管道内介质的介电常数不同微波通过时的截止频率也不同通过本底噪声扣除的测量方法测量待通过管道液体的含水率 文丘里模块主要是通过压差法来进行流量的测量油气井开采过程中气液两相参数测量仪的使用管路压力一般在几兆帕到十几兆帕高压(最高不超过 )这对仪器整体耐压能力提出了较高要求 所以为保证仪器有足够的耐压强度需对仪器进行耐压仿真分析图 气液两相参数测量仪 气液两相参数测量仪有限元仿真有限元分析法是通过微分方式将分析对象划分为多个较小的结构单元 然后对小结构单元的受力分析及求解并将所有结构单元的计算结果进行迭代最后得到分析模型的力学特性 文中采用 软件对气液两相参数测量仪进行耐压性能仿真分析 基于气液两相参数测量仪的结构特点分析发现仪器耐压性能最薄弱部分主要是电容模块的绝缘层和微波模块的绝缘层它们的材料分别为氧化铝和聚四氟乙烯 因此此次仿真主要针对上述两种零件进行线性结构静力学分析.构建 仿真模型根据使用需求分别设计了气液两相流的电容模块和微波模块利用 对电容模块绝缘层和微波模块绝缘层进行三维建模通过 和 的数据无缝接口将建立的三维模型保存为 格式并导入 中进行气液两相流流工作载荷状态下的耐压性能分析得到整体结构的应力变形情况和位移变形情况 为了提高有限元分析的效率避免螺纹和倒角等特征影响有限元分析的结果在建模中对该部分结构进行优化 表 所列为电容模块和微波模块绝缘层的材料特性表 电容模块和微波模块绝缘层材料特性项目电容模块绝缘层微波模块绝缘层主要材料氧化铝聚四氟乙烯材料密度/(/)弹性模量/.泊松比.在 中新建立一个静力学分析模块()然后分别导入 格式的电容模块绝缘层仿真模型和微波模块绝缘层仿真模型根据表 所列参数在仿真分析模型的材料数据库()中分别对两个模型赋予相应的材料定义电容模块绝缘层主要选用的材料是氧化铝电容模块绝缘层主要选用的材料是聚四氟乙烯并构建仿真模型如图 所示图 仿真模型.网格划分有限元分析法是通过微分方式将分析对象划分为多个较小的结构单元首先需要对三维模型进行网格划分网格划分是有限元分析前处理中较为重要的处理步骤网格划分的质量通常直接影响到计算精度网格类型主要有四面体网格和六面体网格两种类型四面体网格具有较好的适应性一般适用于自由网格划分可以快速完成网格划分六面体网格主要优点是计算量较小 电容模块模型和微波模块模型均是较为简单的网格划分模型因此均采用四面体网格在 中选择自由网格划分网格划分结果如图 所示图 电容模块与微波模块网格划分模型 根据其对称性建立周期性模型选用对称部分进行分析采用 单元研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用.载荷及边界条件添加.电容模块载荷()机械载荷根据气液两相流流工作环境对电容绝缘层模块在接触介质的绝缘层内壁施加介质压力为 的机械载荷整个载荷均布在绝缘层内壁()位移边界条件根据电容绝缘层模块的静力学分析的受力状况将绝缘层与端盖接触表面的轴向和环向位移限制设置为.微波模块约束及载荷()机械载荷根据气液两相流流工作环境对微波绝缘层模块在接触介质的绝缘层内壁施加介质压力为 的机械载荷整个载荷均布在绝缘层内壁()位移边界条件根据微波绝缘层模块的静力学分析的受力状况将绝缘层与端盖接触表面的轴向和环向位移限制设置为 上述两种模块的载荷与位移边界条件如图 所示图 模型载荷与位移边界条件 仿真结果通过 对电容模块和微波模块绝缘层进行有限元分析得到电容模块和微波模块绝缘层的应力云图和应变云图分别如图、所示得出在正常 工作压力下电容模块绝缘层和微波模块绝缘层最大应力与应变结果如表 所列图 应力云图图 位移云图表 工作压力下电容模块和微波模块最大应力与应变参 数数 值电容模块绝缘层微波模块绝缘层最大应力/.最大应变/.由表 可知电容模块绝缘层最大应力为.出现在氧化铝层的边缘处此为边缘位置出现应力集中 微波模块绝缘层最大应力为.出现在聚四氟乙烯开槽处的中段该处结构为总体中较为薄弱的位置与实际情况一致 查阅相关表格找到电容模块和微波模块材料屈服强度与抗拉强度以此来校核应力是否在允许范围内材料性能如表 所列表 聚四氟乙烯和氧化铝力学性能/(/)参 数数 值氧化铝聚四氟乙烯屈服强度.抗拉强度由表 可知电容模块和微波模块绝缘层所受到的应力均小于其材料的屈服强度所以此电容模块和微波模块模型在 工作压力下满足强度要求电容模块和微波模块最大应变量分别为.和.应变量大小可忽略不计不影响气液两相参数测量仪使用 结 语文中运用有限元分析法借助 软件对气液两相参数测量仪进行耐压性能仿真分析仿真结果显示微波模块绝缘层开槽部位和电容模块绝缘层边缘部位为薄弱环节 在工作载荷 压力下微波模块和电容模块均不会损坏 利用软件仿真给出应力云图和应变云图结果更加清晰明了仿真结果为试验测试和结构优化设计提供了参考依据参考文献:佘 祥范伟军张章.基于有限元分析法的液压制动钳耐压性能仿真.现代制造技术与装备():.唐 明刘庆扬.基于 夹层气液两相流仿真分析.锻压装备与制造技术():.王志春张文景李文涛.基于 的一种气液两相流流量测量传感器的仿真研究.振动与冲击():.田晓洁谢大帅刘贵杰等.基于 的气液两相流海洋立管流固耦合特性分析.振动与冲击():.赵 安韩云峰翟路生等.气液两相流电容传感器相浓度测量特性.化工学报():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验