首頁 > 新聞資訊 本文原載于Ansys Advantage：《Digital Engineering Reduces the Cost of Composite Pipe for Oil and Gas Operators》
Magma Global是一家在碳纖維復(fù)合材料開發(fā)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的創(chuàng)新型、快速增長的海底技術(shù)公司。Magma應(yīng)用最先進的材料與制造科學(xué)，為海底石油和天然氣行業(yè)提供創(chuàng)新性解決方案，其產(chǎn)品部署在一些地球上環(huán)境條件最苛刻的地方。
其中一款產(chǎn)品就是M管，它一直被用于世界各地的出油管與跨接管、干預(yù)系統(tǒng)以及懸空引線，以輸送碳氫化合物、水和天然氣。M管雖然具有出色的強度，但其柔韌性也毫不遜色。該管不僅具有最小化的彎曲半徑，而且重量輕，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的卷軸交付，并通過較小的船舶進行部署。
M管是什么？
M管由兩種高品質(zhì)原材料制成：碳纖維和聚醚醚酮(PEEK)。PEEK是目前性能最佳的熱塑性聚合物。由于PEEK具有耐熱性、耐常用油田化學(xué)品及耐滲透性等特點，其在關(guān)鍵組件中的應(yīng)用已有很長的歷史。在全自動機器人工藝中，單向碳纖維和PEEK膠帶通過激光逐層融合，形成具有光滑孔的完全粘合結(jié)構(gòu)。由此得到的M管，不會因油田化學(xué)品（如硫化氫和二氧化碳）而產(chǎn)生降解，這些化學(xué)品在油田開發(fā)中普遍存在，且被證明對鋼管和柔性管都會帶來挑戰(zhàn)。此外，PEEK的使用還使M管具有高溫性能和極低的氣體滲透性。
管體變形示例
Magma的高級工程團隊不斷改進M管層壓材料層的設(shè)計，優(yōu)化強度并最大限度減少重量，同時確保聚醚醚酮(PEEK)和碳纖維管道具有較高的制造成本效益。
在每個新的M管中最大限度地減少熱塑性復(fù)合材料，可以減少制造過程中的化石燃料消耗。與傳統(tǒng)的鋼管安裝相比，M管的輕量化特性可最大限度地降低安裝成本，并允許使用更小的工作船舶。此外，M管需要的海上行程也更少，這就進一步減少了碳排放。
Ansys Workbench軟件通過真實的有限元分析(FEA)仿真可減少M管的熱塑性塑料，這種仿真能夠在精確數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)響應(yīng)中復(fù)制實際的測試行為。該仿真結(jié)果，隨后被用于再現(xiàn)工作中的載荷組合。
在使用Ansys仿真軟件之前，Magma的設(shè)計流程與業(yè)內(nèi)大多數(shù)流程一樣：工程師會為特定客戶的應(yīng)用開發(fā)一些設(shè)計，并對其進行一系列的物理測試，這可能導(dǎo)致成本高昂且非常耗時。
仿真的目的在于，減少原材料使用的同時，在較短的交貨期限內(nèi)交付M管，并滿足挪威船級社(DNV)認證要求。DNV是一家國際認可的注冊商和船級社。
M管的橫截面
對熱塑性復(fù)合材料管（TCP）的使用壽命條件進行仿真
利用Ansys仿真解決方案，Magma工程師正在通過虛擬模型對結(jié)構(gòu)測試進行數(shù)值仿真。這些結(jié)果隨后被用于再現(xiàn)實際使用壽命載荷組合。因此，Magma Global可以在整個設(shè)計周期內(nèi)（包括停止運行階段）快速得到超出客戶要求的合格產(chǎn)品。
利用Ansys Workbench進行數(shù)值仿真，計算機輔助工程(CAE)團隊能夠通過Workbench中的高效腳本快速考慮不同的選項。他們可以運行大量FEA迭代來驗證M管的結(jié)構(gòu)完整性。物理測試的次數(shù)已顯著減少；現(xiàn)在，物理測試的唯一目的是確認仿真結(jié)果。此外，每項物理測試也經(jīng)過應(yīng)變測量，以便將結(jié)果與數(shù)值模型相關(guān)聯(lián)。
管體復(fù)合材料層壓板示例
利用仿真估算M管的使用壽命，我們讓客戶對其產(chǎn)品更有信心。他們不僅共享結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，包括應(yīng)力和應(yīng)變圖，而且還與挪威船級社(DNV)進行交流，以便獲得船級社批準(zhǔn)。仿真有助于Magma生產(chǎn)出石油和天然氣領(lǐng)域中最堅固可靠的熱塑性復(fù)合材料管道。盡管使用盡可能少的材料，這些管道仍然可以應(yīng)對石油和天然氣組件所要求的極端工作條件。這有助于降低產(chǎn)品成本，使企業(yè)能夠在與其他供應(yīng)商的競爭中立于不敗之地。
Magma的CAE流程
雖然復(fù)合材料管道的概念看似相對簡單，但在實際過程中，數(shù)值模型卻非常復(fù)雜。層壓材料可包含超過50層，每一層的方向都是為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，同時還要達到制造參數(shù)要求。金屬端接頭固定在管道的任一端，以便與第三方設(shè)備實現(xiàn)牢固連接。在分析流程中，工程師對產(chǎn)品的使用壽命（包括存儲、運輸、測試、安裝和運行）進行了仿真。
第一步通常是使用Orcaflex（面向海底系統(tǒng)的動態(tài)分析軟件）進行研究，以確定系統(tǒng)的全局響應(yīng)。提取局部力和力矩，并將其應(yīng)用于管體和端部接頭FEA模型。此外，Orcaflex還可用于對Magma現(xiàn)場周圍管道的轉(zhuǎn)運作業(yè)（從制造卷盤卸到存儲卷盤上，或進行提吊作業(yè)）進行仿真。
管體有限元分析
我們開發(fā)了專屬的管體“Magma Ansys前處理與后處理器”(MAPPS)接口，該接口通過Microsoft Excel接口驅(qū)動，以便創(chuàng)建Ansys參數(shù)化設(shè)計語言(APDL)腳本。MAPPS可為Magma的所有工程師（即使是沒有深入了解Ansys軟件的工程師）提供一款易于使用的設(shè)計工具。
工程師需要輸入以下參數(shù)：
- 管道幾何形狀
- 單元密度
- 層結(jié)構(gòu)：厚度和方向
- 層壓板堆積
- 外部載荷（壓力、軸向力、彎矩等）
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，工程師就可以使用具有二次行為的20節(jié)點分層單元創(chuàng)建3D FEA模型，這是較厚的復(fù)合材料建模所必需的。MAPPS還允許輸入單獨的層屬性，并檢索應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果。
層材料屬性對于任何復(fù)合材料模型而言，都很關(guān)鍵。我們已經(jīng)完成了大量的物理測試，從而獲得了這些信息，而它們構(gòu)成了仿真模型的基礎(chǔ)。每次仿真都在專用的分析服務(wù)器上運行，只需幾秒鐘即可完成，這樣可以使用我們的MAPPS結(jié)果圖形界面快速優(yōu)化層壓結(jié)構(gòu)。
管體按照DNV-ST-F119和DNV-ST-C501規(guī)范、并采用極限狀態(tài)設(shè)計方法進行設(shè)計。此方法可評估以下三種失效機制：
- 基于總應(yīng)變的纖維主導(dǎo)層失效
- 軸向載荷作用下的管體失效
- 管體因彈性屈曲而坍塌
端部接頭CAD幾何形狀示例
由于M管復(fù)合材料層壓板由許多不同角度和材料特性的薄板組成，單獨對它們進行評估可確保不會超過各種失效指標(biāo)。Ansys Workbench具有高效的后處理工具，可幫助實現(xiàn)上述目標(biāo)，這些工具包含以下失效檢查：最大應(yīng)變、最大應(yīng)力、Tsa-Wu、Tsai-Hill、Hashin、LaRC、Cuntze。
我們使用最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則，仔細評估每層沿管道長度和層壓板厚度方向的纖維和基質(zhì)。我們還將組件結(jié)果朝著管道系統(tǒng)軸的方向，以便確定軸向、環(huán)向和徑向值。
端部接頭有限元分析
端部接頭裝配體由超級雙相不銹鋼制作而成，這種材料廣泛用于海底設(shè)備。端部接頭包括一組同心組件，這些組件會產(chǎn)生徑向壓縮力，將管體夾在中間，無需使用螺栓或進行銷釘連接（那樣會影響層壓材料的完整性）。
我們基于設(shè)計團隊提供的計算機輔助設(shè)計(CAD)幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)建FEA裝配體模型，并使用該模型進行結(jié)構(gòu)分析。然后，使用Ansys SpaceClaim輕松去除螺紋、非關(guān)鍵孔和小混合半徑等細微特征。
為了施加外部載荷，端部接頭FEA模型包括了管體的一部分。這通常需要在端部接頭接口外延長5倍的管道外直徑，以便消除任何端部效應(yīng)。敏感度分析可確保關(guān)鍵區(qū)域（例如應(yīng)力集中區(qū)域）的單元密度是足夠的。我們檢查了單元質(zhì)量（即體積與邊長的比值），以保持其最小值為0.2。
端部接頭按照DNV-OS-F101第F100節(jié)的規(guī)范進行設(shè)計，其要求機械連接器按照ASME VIII第2部分的規(guī)范進行設(shè)計。為了驗證端部接頭的設(shè)計，應(yīng)進行以下設(shè)計檢查：
- 防止塑性塌陷
- 防止局部失效
- 根據(jù)DNV–RP–F112防止氫致應(yīng)力開裂 (HISC)
為了對端部接頭裝配體的載荷路徑進行準(zhǔn)確仿真，我們確定了各個組件之間的接觸，包括摩擦影響。為超級雙相材料定義了應(yīng)力-應(yīng)變曲線，包括溫度影響。再與接觸結(jié)果相結(jié)合，分析包括非線性材料與幾何形狀的影響。
為了表示每種工作條件，我們將順序載荷組合作為一系列非線性步驟施加到FE模型。這可以增加多達10個載荷步驟，包括熱膨脹、壓力、軸向張力與彎矩。
由于操作人員不斷提高端部接頭FEA模型的精度水平，復(fù)雜性和求解時間都相應(yīng)增加。為了盡量減少這種情況，操作人員優(yōu)化了Ansys求解器參數(shù)和CPU內(nèi)核。
端部接頭應(yīng)力示意圖
作為詳細ASME完整性檢查的一部分，操作人員從FEA模型中提取了所有載荷組合中的組件應(yīng)力與應(yīng)變。這包括馮米斯應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變和等效塑性應(yīng)變與三軸應(yīng)變的比值。為了評估防止氫致應(yīng)力開裂 (HISC)的保護措施，操作人員進行了兩次深入的應(yīng)變檢查，其中包括使用Workbench中的線性化技術(shù)提取組件壁厚的平均應(yīng)變值。
展示虛擬結(jié)果有助于操作人員了解M管的表現(xiàn)。我們的分析提供了清晰、簡明的信息，便于各方輕松理解。結(jié)果是風(fēng)險變小了，同時客戶參與度更高，信心也更足。
（文章來源公眾號：Ansys）
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20 年來，先后與 Altium、ARM、Ansys、Minitab、Green Hills、EPLAN、QT、QA Systems、MicroFocus、Visu-IT、HighTec、PLS、Ashling、MSC Software 、Autodesk、Source Insight、TeamEDA、IncrediBuild、Adobe等多家全球知名公司建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并作為他們在中國區(qū)的主要分銷合作伙伴服務(wù)了數(shù)千家中國本土客戶，為客戶提供從芯片級開發(fā)工具、EDA 設(shè)計工具、軟件編譯以及測試工具、結(jié)構(gòu)設(shè)計工具、仿真工具、電氣設(shè)計工具、以及嵌入式 GUI 工具等等。億道電子憑借多年的經(jīng)驗積累，真正的幫助客戶實現(xiàn)了讓研發(fā)更簡單、更可靠、更高效的目標(biāo)。
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