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发布日期:2021-05-11   浏览次数:

管网系统仿真软件(PipeDesign)

管网系统仿真软件PipeDesign一款集管路布管、几何建模、网格剖分、管道结构力学特性分析、管道水力学特性分析、多尺度耦合分析及流固耦合分析等功能于一体的专业仿真软件平台。软件具备三维可视化人机交互、高效有限元求解、结果规范化评价等典型特征,可实现不同安全等级、不同工质类型、不同复杂度的管路结构的仿真分析。

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1  管网系统仿真软件


一、功能特点

 1. 管网系统仿真软件1D水力特性分析模块可用于管路系统的单相等温分析(包括支管流量、压降、节点压力计算)、单相对流换热仿真计算(包含单相液体对流换热、单相蒸汽对流换热、管外壁与空气换热)、两相仿真分析(包含汽量计算)等。

 2. 管网系统仿真软件3D水力特性分析模块基于有限体积法离散流体力学控制方程,支持网格的导入导出、自动剖分,可实现定常/非定常、层流/湍流等的流场与温度场模拟。

 3. 管网系统仿真软件1D-3D多尺度耦合分析模块可实现一维三维分析模型约束及载荷映射功能,根据管网系统一维分析结果,可自动提取合适的力学参数映射至管网系统三维边界上,实现结构约束及载荷的一维三维传递。

 4. 管网系统仿真软件1D结构特性分析模块可用于管网系统的管路布置及系统的静力、模态及瞬态响应分析,并基于设计规范进行管路系统应力的校核,提供自动报告生成功能。

 5. 管网系统仿真软件3D结构特性分析模块基于有限元方法针对局部管道进行详细分析,可实现网格的导入、自动剖分,实现局部管路的静力、模态及瞬态响应分析。同时模块内嵌流固耦合插值功能,可完成流体域和结构域的数据交换,为结构应力特性分析提供载荷来源。

二、特色优势

 1. 具备多样化的分析结果后处理功能,可实现分析结果变量的曲线、云图、表格等多样化展示和导出,可实现基于ASME-NC规范的分析结果评价及分析报告的快速生成。

 2. 具备丰富的行业常用管件库、接头元件库、阀门和泵的特性曲线参数等,支持一维和三维管道及其附件(包括阀门、弯头、三通等)几何模型的参数化建模功能。

 3. 支持通用CAD几何模型的导入,包含.x_t、.stp、.iges、.ACIS等4种以上格式,支持.neu、.msh等流体网格格式导出。

 4. 具备试验数据导入分析功能。

三、典型案例

 单相等温支管流量求解——在管网系统中,用户根据实际模型进行布管,在给定入口与出口边界条件下,可利用本软件进行节点压力以及支管流量的求解。

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2 管网系统布置界面


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3 管网系统分析结果输出文件


 管网系统瞬态响应分析——管网系统在瞬态条件下,其结构应力载荷随时间变化发出响应,软件基于PCG迭代求解器,进行求解。其分析结果与商业有限元软件MSC. Nastran的计算结果进行对比(选取其中4个时间步的结果),对比如图所示,可见各计算结果基本一致,最大误差为0.15%。

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4 管网系统瞬态响应分析模型


  

  (a)时间步11(管网系统仿真软件)               b)时间步11MSC.Nastran

  

 (c)时间步41(管网系统仿真软件)                d)时间步41MSC.Nastran

  

e)时间步71(管网系统仿真软件)               f)时间步71MSC.Nastran

   


g)时间步91(管网系统仿真软件)           h)时间步91MSC.Nastran

各时间步计算结果对比


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6 节点4X向位移结果对比


 弯管静力分析——弯管受节点集中力和节点集中力矩作用引起变形问题,管网系统分析软件通过3D结构分析模块求解静力分析,并进行后处理。分析结果与商业有限元软件MSC. Nastran的计算结果进行对比,最大位移计算结果一致。

a)位移结果云图(管网系统仿真软件)

b)位移结果云图(MSC.Nastran

7 位移结果云图对比


应力结果云图对比如下所示,最大应力计算结果误差为1.52%。

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aVon-Mises应力结果云图(管网系统仿真软件)

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bVon-Mises应力结果云图(MSC.Nastran

8 Von-Mises应力结果云图对比


任意选取100个节点(如节点301~400),对比其Y向位移计算结果,如下图所示,可见计算结果一致。

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9 节点301~400 Y向位移结果对比

 管网系统模态分析——管网系统运行过程中会承受不同类型的外载荷激励,例如泵、压缩机的振动,以及地震、风载等,结构和系统的振动特性决定了对于其他动力载荷的响应情况。通过管网系统的模态分析,可以对结构的振动特性进行评估。将计算结果与商业有限元软件MSC. Nastran的计算结果进行对比,第7~10阶模态振型对比如图10所示(其中,管网系统仿真软件缩放因子设为60),可见各阶振型计算结果一致,最大位移计算误差不超过0.25%。

  

a)第7阶模态(压力管道软件)               b)第7阶模态(MSC.Nastran

  

c)第8阶模态(压力管道软件)              d)第8阶模态(MSC.Nastran

  

e)第9阶模态(压力管道软件)               f)第9阶模态(MSC.Nastran

10 模态分析各阶振型计算结果对比


任意选取一阶固有频率(如第7阶固有频率),对比任意节点(如节点5201~5300)的Y向位移计算结果,如下图所示,可见计算结果一致。

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11 第7阶模态节点5201~5300 Y向位移结果对比


五、行业客户

        船舶:中国船舶719研究所



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