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能源行业包括核能、石化、燃气轮机、水利水电(电站设备)等。能源行业在国民经济发展中的地位举足轻重,也与社会稳定等密切相关,其安全性也越来越受到关注。现代能源设备制造技术正朝着高度机械化、自动化、计算机化方向发展,高性能的能源工程装备也是世界能源设备市场竞争的焦点。 在能源行业中所使用的CAD/CAE/CAM/PDM软件涉及的领域主要包括二维和三维的CAD软件,CAE软件,数据管理软件等。在CAE软件方面会涉及多种学科,如结构力学,对强度、刚度的分析,是结构力学的经典关注领域。涉及到线性静力、接触和材料及大变形非线性、振动、高度瞬态非线性等;热力学,如燃气对燃烧室、尾喷管及周围其它部件产生严重高温影响。分析温度场的分布以及对热控的研究是热力学的主要研究内容;疲劳和断裂力学,在工作过程中,对于能源设备安全性是首要问题。一再强调的质量事故归零,实际就是要求所有部件的寿命符合设计要求;流体力学,对燃机、汽轮机、水轮机等结构的复杂流体分析;机构运动学,机构运动过程中部件之间是否会发生干涉,运动轨迹是否符合包络要求,运动速度有多大,驱动载荷要求多大等等,都是运动分析的标准结果;控制学,对一些液压控制进行分析。MSC.Software公司不仅为能源领域提供了多方位的FEA分析软件,MSC.Software公司在CAE领域中首先提出了相应的虚拟产品设计,并提供了面向不同层次的分析工具:面向设计人员的MSC SimDesigner;面向企业和研究院校的MSC SimOffice,包含了MSC.Software公司所有分析仿真的高级软件工具,如大家熟悉的MSC Patran,MSC Nastran,MSC Dytran,MSC Marc,MSC Fatigue等等;面向专业客户化,自动化的MSC SimManager,真正实现了CAE分析流程化管理,是CAE的数据库,同时可以将能源行业CAE的经验集成化,这一产品的实施可以大大加速能源设备设计周期,降低设计成本,并且还可以将企业的经验加以积累和沉淀。
行业内设计过程中常见的问题
对于能源行业设计过程遇到的突出矛盾和问题,从应用领域来分主要有以下四个方面:
1) 水力水电行业 开挖、浇注过程的模拟; 坝体的静力、动力学分析; 坝体的稳定性分析; 机械设备分析; 坝体抗震能力分析;
2) 核能 高温部件的蠕变分析; 结构的静力、动力学分析; 结构件的稳定性分析 疲劳寿命分析; 部件抗震能力分析; 加工模拟分析;
3) 燃气轮机、汽轮机、风力发电机等 旋转部件的静力、动力学分析; 高温部件的蠕变分析; 转子动力学分析; 包容性分析; 疲劳寿命分析; 加工模拟分析;
4) 石化行业 地球物理勘探过程的结构及地应力分析; 油气开发工程的井架结构、钻柱、水平井和完井管柱、套管等结构分析和稳定性分析,高压水射流破岩分析,井壁稳定性分析; 油气储运工程中的设备结构强度和稳定性分析; 压力容器设计中结构强度分析、热分析、稳定性分析、蠕变分析、疲劳分析; 各类设备的加工模拟,如焊接、锻造成形等。
MSC的行业解决之道
对于能源行业的特点,MSC.Software公司MSC公司针对各种问题提供了不同的解决方案: 1.针对CAD软件的接口和快速创建分析模型,自动检查模型,以及能源设备设计中强度、刚度、屈曲评估和报告系统生成的自动化需求,MSC提供了MSC Patran+MSC Acumen,用于定制用户的专业化、自动化客户平台。
2.对于结构的强度,屈曲,后屈曲,振动特性和优化设计计算,MSC提供了MSC Patran+MSC Nastran+MSC Marc。
3. 对于各类能源设备结构的热分析、热应力分析,MSC提供了MSC Patran+MSC Nastran+MSC Marc+Star-CD。
4. 对于液压、润滑控制分析,MSC提供了MSC Easy5;
5.对于特殊材料的结构,如使用了新型的复合材料,可以使用MSC Patran+MSC Patran Laminate Moderler+MSC Nastran进行复合材料的分析和优化设计。
6.MSC针对能源行业一些设备遇到的特殊问题提供了MSC Patran+MSC Nastran+MSC Dytran+LS-DYNA进行液体晃荡分析,优化设计。
7.能源设备在设计的过程中还要考虑碰撞、爆炸等问题,MSC提供了MSC Patran+MSC Dytran+LS-DYNA
8.除了常规的强度,振动,屈曲分析,还要考虑降噪设计,针对这些专业化的问题,MSC提供了MSC Patran+MSC Nastran +MSC Actran等专业化的模块和分析手段。
9.对于设备的运动,需要对结构的运动性能的评估要求,MSC ADAMS提供了专业的评估和分析方法。
10.而对于燃气轮机的设计,水轮机,风力发电机,桨轴,轴承的设计、刚柔性体联合仿真和关键零部件的疲劳寿命问题,MSC提供了一整套完整的解决方案,MSC Patran+MSC Nastran+MSC Fatigue+MSC Marc+MSC ADAMS/Engine+MSC Easy5
11.对于能源设备中加工工艺的分析,包括螺旋桨的加工,焊接铸造工艺,热机耦合问题等都可以使用MSC Marc、MSC Manufacturing进行分析。
12.由于企业对于生产周期和数字化建造和管理的要求,MSC提供了集设计仿真管理和数据流管理为一体的统一VPD平台-MSC SimManager。
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