基于ABAQUS软件ELBOW单元的LNG管道有限元模拟
本文运用ABAQUS软件中的ELBOW单元进行LNG管道有限元模拟，并与CAESARII计算结果对比，最大应力出现在Π型弯下侧弯头处，差值比小于5%，可见ELBOW单元可用于管道应力分析。进一步分析了管道温度对应力的影响，结果表明，温度变化对二次应力和操作应力影响较大，对一次应力无影响
ABAQUS有限元软件中有一种特殊的单元–ELBOW单元，可以看作是考虑了横截面变形的梁单元，能够自动计算弯头部分的椭圆化，计算效率和计算精度也非常出众。在进行结构整体分析时，ELBOW单元当作梁单元进行计算；在进行局部应力分析时，ELBOW单元的应力按基于壳理论的方法进行计算。ELBOW单元可应用于管道横截面的详细应力分析。目前在国内使用ELBOW单元进行管道应力分析的研究较少，本文使用ELBOW单元分析管道实例，将计算结果与专业管道分析软件CAESARII计算结果进行对比，验证ELBOW单元用作管道应力分析的可行性，为管道系统的应力分析提供参考
选取在建河北唐山曹妃甸港区LNG码头4#泊位LNG卸船管道设计方案中的254m间距方案进行分析（图2），
取环境温度为20°C，管道温度为–165°C，下侧弯头和上侧弯头（图2）最大应力和位移计算结果如表3所示，表中UX、UY分别比为X、Y方向的位移，SE为应力计算结果。管道的应力云图如图3所示
LNG管道模型应力最大值出现在管道Π型弯下侧弯头处，大小为122.4Mpa。基于ELBOW单元建立的LNG管道模型与CAESARII的位移、应力计算结果差值很小，位移计算结果差值比在20%以内，应力计算结果差值比在5%以内，可见ELBOW单元可以应用于管道应力分析。
由图4可见，温度的变化对SUS工况的应力（一次应力）无影响，这是因为一次应力不受温度荷载的影响。温度对EXP工况下的二次应力影响比较大，当温度从–165℃升高至20℃时二次应力从135.7Mpa降至0Mpa,这是因为在EXP工况下当温度为20℃（即与环境温度相同）时，管道不受任何外力，所以此时应力为0Mpa。从20℃升高至35℃时二次应力升高到11Mpa。
SUS工况–持续荷载工况：为一次应力工况，荷载包括管道自重W和管道内压P，不包括温度荷载影响；其中管道自重W包括管道重量、LNG液体重量以及管道外部保护层重量等；管道压力P=1.7Mpa；等效密度为2×10–8ton/mm3。EXP工况–温度荷载工况：为二次应力工况，根据实际情况，管道最低设计温度取–165℃，经查询曹妃甸地区最高温度为35℃，因此设计温度范围取–165℃～35℃。OPE工况–操作荷载工况：荷载包括管道自重W、管道内压P，根据实际情况，操作温度取–159℃。
本文通过运用ABAQUS有限元软件中的ELBOW单元对某实例LNG管道进行有限元模拟，计算结果与专业管道分析软件CAESARII进行对比，验证用ELBOW单元进行应力分析的可行性，并进一步研究不同温度下，三种典型工况下的应力变化情况。主要结论如下
：1）LNG管道模型应力最大值出现在Π型弯下侧弯头处。
2）使用ELBOW单元建立管道模型，应力计算结果与CAESARII吻合良好，此单元可以用于管道应力分析。
3）温度对二次应力和操作应力影响较大，对一次应力无影响。管道工作温度大于20℃时，二次应力和操作应力随着温度升高增大；温度低于20℃时，二次应力和操作应力随着温度降低增大
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