Исследование спрейерной оболочечной системы с использованием современных CAE-комплексов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В настоящий момент при научных исследованиях в механике твердого тела большое распространение получило компьютерное моделирование, позволяющее проводить эксперименты численными методами. В качестве программных средств используются специализированные расчетные комплексы, использующие метод конечных элементов. При этом существуют как междисциплинарные универсальные пакеты (ANSYS, Nastran, Abaqus, Cosmos и другие), так и комплексы, ориентированные на прочностные расчеты (Lira, Scad, Stark и другие). Выбор конкретного программного продукта зависит от области изысканий и круга решаемых задач. В данной статье используются программные инструменты разного уровня для определения НДС спрейерной системы [1] в статической задаче.

Спрейерная система (система спрейерной камеры) является составной частью машины предназначенной для очистки наружной поверхности магистральных газо- и нефтетрубопроводов, преимущественно от изоляции [2]. Система спрейерной камеры обеспечивает в процессе работы машины подачу хладагента в камеру охлаждения изоляционной пленки трубопровода до температуры ее охрупчивания.

Собственно сам объект исследования представляет собой пространственную систему, которая состоит из зубчатого обода, жестко соединенного с несущей рамой машины посредством подкрепляющей оболочки. По наружной поверхности обода перемещаются зубчатые колеса, передающие вращение от ротора машины через систему передаточных механизмов к исполнительным органам. При этом количество зубчатых колес, расположенных на зубчатом ободе, определяется технологическим процессом и может составлять от 1 до 4-х единиц. Зубчатые колеса равноудалены друг от друга и в общем случае имеют несимметричное расположение.

Таким образом, спрейерная система находится в условиях локального силового и температурного воздействия. При этом, конструктивные размеры спрейерной системы определяются исходя из диаметра очищаемой трубы, а силовое нагружение в общем случае описывается нелинейным законом, зависящим от ряда статических и динамических параметров машины. Исследования НДС оболочечных систем, находящихся в подобных условиях, в настоящий момент не имеют освещения в научной литературе.

Задачами, рассматриваемыми в данной работе, являются:

- определение характера распределения напряжений в конструкции;

- установление закономерности влияния геометрии элементов, вариантов конструктивного исполнения на величину максимальных напряжений; спрейерный магистральный нефтетрубопровод

- анализ картины полей напряжений и перемещений в оболочке;

- сравнение возможностей программных комплексов при аналитическом исследовании.

Расчетная схема спрейерной системы показана на рис. 1 (вариант с несимметричным расположением колес на ободе).

Следует отметить, что традиционные методы расчета для оболочечной части системы основываются на гипотезах Лава-Кирхгоффа в теории тонких оболочек, а зубчатый обод рассматривается как общий случай короткой цилиндрической оболочки.

C помощью программного комплекса Lira 9.4 были произведены расчеты при различных вариантах конструктивного исполнения системы. Спрейерная система моделировалась универсальным пространственным восьмиузловым изопараметрическим конечным элементом с тремя степенями свободы в каждом узле. Модель содержала в себе 34400 элементов. Силовое воздействие зубчатых колес моделировалось при помощи пар сосредоточенных сил без рассмотрения контакта зубцов колес и обода. Граничные условия заключались в равенстве нулю всех перемещений и углов поворота на правом краю оболочечной части системы.

Рис. 1. Расчетная схема: а - вид со стороны кольца, б - вид сбоку, в - фрагмент системы в месте приложения нагрузки

Расчет производился при следующих параметрах: R = 560 мм, r = 605 мм, t = 100 мм, s =10 мм, L = 970 мм, H = 80 мм, , три пары сил (полная составляющая каждой равна 1 кН), материал - конструкционная сталь.

Аналогичные расчеты были выполнены для систем с идентичными геометрическими характеристиками, но с различным числом зубчатых колес.

Полученные в результате расчета частоты собственных колебаний системы при различных вариантах конструктивного исполнения (количества зубчатых колес на ободе k) представлены в табл. 1.

Таблица 1

Анализ полученных данных показывает, что напряжения и деформации имеют сложный характер распределения, определяемый совместной работой системы на изгиб и кручение. При этом, деформации в системе не оказывают влияния на ее общую форму, поскольку наибольшая величина результирующих перемещений более чем на пять порядков меньше размеров самой оболочечной системы. А зоны максимальных напряжений всей системы локализованы в местах непосредственного приложения сосредоточенной нагрузки к зубчатому колесу. Для оболочечной части спрейерной системы распределение напряжений приведено на рис. 2. Следует отметить, что, как правило, максимум напряжений приходится на область скачкообразного изменения толщины оболочечной системы (левый край на графике) вблизи мест приложения нагрузки.

На этом возможности программного комплекса, ориентированного на инженерный расчет конструкций, в решении поставленных задач следует признать исчерпанными. Такие требования научного исследования, как анализ чувствительности к параметрам рассматриваемой модели, расширенные возможности в документировании результатов расчета (вывод для заданных параметров зависимостей в виде графиков, получение дополнительных результатов), гибкий подход к созданию конечноэлементной модели, а также необходимость оптимизации, позволяют говорить о целесообразности использования «тяжелых» CAE-систем (computer-aided engineering - компьютерные инженерные расчеты). Дальнейшее исследование спрейерной системы производилось автором с помощью одной из подобных систем, позволяющий проводить детальный анализ сложной конструкции.

Для решения изложенных задач использовался пакет ANSYS. Расчетная схема и исходные параметры модели соответствуют изложенным выше. Интересно отметить, что при сходных числе и типе конечных элементов, затраты расчетного времени в настоящем случае были в несколько раз меньше. Сравнение основных полученных результатов с проиллюстрированными выше позволяет говорить о их небольшой корреляции.

Как было показано, максимальные напряжения в оболочечной части спрейерной системы локализованы в областях примыкающих к зубчатому кольцу. Поэтому, для получения полной картины распределения напряжений были получены дополнительные результаты напряженного состояния в этом сечении конструкции с варьированием параметра s (толщины оболочки). Иллюстративный материал приведен на рис. 3.

Приведенный материал позволяет установить, что при уменьшении диаметра оболочки в системе меняется характер распределения эквивалентных напряжений. При постепенном уменьшении величины s график эквивалентных напряжений получает все более выраженный максимум (обратная зависимость), при этом он локализован в месте приложения нагрузки. При толщине оболочечной части конструкции s менее 5 мм образуется «обратная волна» напряжений, предположительно связанная с недостаточной жесткостью всей системы. Величина экстремальных напряжений для рассматриваемых случаев составляет порядка 0,21,4 МПа. При этом, как было установлено при анализе результатов полученных при разном конструктивном исполнении, количество пиков на графиках равно количеству зубчатых колес k. А толщину оболочки s = 5мм, принимая во внимание эффективность использования материала, можно рекомендовать как оптимальную при конструировании.

Рис. 2. Распределение максимальных эквивалентных напряжений по длине оболочки

Рис. 3. Распределение напряжений по оболочке

Распределение напряжений в исследуемом месте системы, приведенное на рисунке 4, позволяет говорить о том, что в системе с большим количеством зубчатых колес достигается большая равномерность в напряжениях. При этом наиболее рациональной с данной точки зрения следует считать систему с k = 3.

Рис. 4. Распределение напряжений по оболочке

Таким образом, в результате расчетов установлено напряженно-деформированное состояние спрейерной оболочечной системы, с выявлением зон максимальных напряжений, а также сформулированы рекомендации по конструированию и сделан выбор программного инструментария исследования.

Литература

1. Патент №2060006 РФ. Способ очистки полимерных покрытий с поверхности трубопровода / А.А. Поляков, Э.С. Батюшев, В.В. Житков, А.А. Артемкин, Н.М. Бирюков. 1996.

2. Поляков А.А. Новые технологии, техника для очистки полимерных изоляционных покрытий с газонефтепроводов при их ремонтах / А.А. Поляков, В.В. Житков, А.А. Поляков // Сб. науч. тр. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. вып.7. 367с.

Размещено на Allbest.ru