Введение к работе
Актуальность темы. Конструктивные объекты в виде пересекающихся оболочек широко применяются в различных технических областях: химическом и нефтехимическом машиностроении, газовой, нефтегазовой отраслях промышленности, энергетическом машиностроении, криогенной технике и др. К таким объектам относятся сосуды и аппараты с патрубками и штуцерами, конструктивные соединения трубопроводов, узлы магистральных трубопроводов и т.д.
Рассматриваемые конструктивные объекты чаще всего являются тонкостенными оболочками. При различных видах нагружения, в первую очередь, при внутреннем избыточном давлении, в пересекающихся оболочках возникает существенно неоднородное напряженное состояние, нередко - с высоким уровнем концентрации напряжений в области пересечения. Поэтому конструктивные узлы в виде пересекающихся оболочек являются, как правило, наиболее напряженными элементами для конструкции в целом, что предъявляет к ним повышенные требования в прочностном отношении.
В последнее десятилетие обновились многие стандарты в области проектирования и расчета сосудов давления - как зарубежные (например, американские нормы ASME Code, британский стандарт BSI PD 5500, европейские нормы EN 13445), так и отечественные (ГОСТ Р 52857-2007). Причём в зарубежных нормах предусмотрены процедуры оценки предельной нагрузки в сосудах с использованием методов нелинейного анализа, а в отечественных нормах -нет. В связи с этим рассматриваемая тема, посвященная определению предельной нагрузки в конструктивных объектах типа пересекающихся цилиндрических оболочек на основе упругопластического анализа, является актуальной проблемой механики, имеющей важное практическое значение.
Цель работы: разработка математической модели, программного обеспечения и прикладных методик упругопластического анализа пересекающихся цилиндрических оболочек и определения предельного давления с использованием обоснованных критериев (способов).
Для реализации поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
разработка расчетной методики упругопластического анализа пересекающихся оболочек с применением метода конечных элементов, теории оболочек и теории пластичности;
развитие специализированной вычислительной программы для упругопластического анализа пересекающихся оболочек;
разработка обоснованных критериев (способов) для определения предельного давления в пересекающихся цилиндрических оболочках;
создание прикладной методики расчетного определения предельного давления для пересекающихся цилиндрических оболочек на основе упругопластического анализа;
проведение параметрического анализа для соединений пересекающихся
цилиндрических оболочек для оценки влияния различных факторов и геомет-
геометрических параметров на величину предельного давления.
Научная новизна:
Разработана новая модель четырехугольного конечного элемента для расчета оболочек в физически нелинейной постановке.
Предложены новые критерии расчетного определения предельного давления в конструктивных соединениях типа пересекающихся цилиндрических оболочек - критерий максимума скорости относительной пластической работы и критерий удельной пластической работы.
Разработана новая прикладная расчетная методика определения предельного давления в пересекающихся цилиндрических оболочках на основе упругопластического конечно-элементного анализа.
Получены новые результаты, показывающие влияние комплекса геометрических параметров пересекающихся цилиндрических оболочек на предельное давление.
Достоверность основных положений и выводов обеспечивается: строгим подходом в решении задач теории оболочек в физически нелинейной постановке; результатами тестовых расчетов для модельных задач, показавших высокую степень сходимости численного решения; хорошим соответствием расчетных и экспериментальных результатов для опытных моделей пересекающихся цилиндрических оболочек.
Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований разработана и обоснована прикладная расчетная методика упругопластического анализа конструктивных соединений пересекающихся оболочек и определения на ее основе предельной нагрузки с использованием различных способов и критериев. Прикладная методика реализована в виде специализированной вычислительной программы. Полученные результаты параметрического анализа различных соединений пересекающихся цилиндрических оболочек (радиальных, нерадиальных, тангенциальных, локально укрепленных накладным кольцом) могут быть использованы при проектировании сосудов и аппаратов различного назначения, узлов трубопроводов в химическом и нефтехимическом машиностроении, газовой, нефтегазовой и смежных отраслях промышленности. На основе проведенных исследований разработаны практические рекомендации по выбору рациональных параметров локального укрепления штуцерных узлов ряда промышленных конструкций.
Реализация результатов работы. Разработанная прикладная методика и специализированная вычислительная программа использовались в ОАО «ВНИИНЕФТЕМАШ» для исследования напряженного состояния штуцерных узлов сепаратора и реактора Р-101.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на XXI и XXII Международных инова-ционно-ориентированных конференциях молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС, 2009, 2010 гг.), VIII Международной научно-практической конференции «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (ноябрь 2009 г.), Международной научно-технической конференции «Прочность материалов и элементов конструкций» (Киев, сентябрь 2010 г.),
6-й Российской конференции «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (октябрь 2010 г., Геленджик), научном семинаре кафедры сопротивления материалов ГОУ МГИУ (2011 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных научных работах, в том числе в 5 статьях в журналах Перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка литературы (145 наименований), изложена на 144 страницах, содержит 48 рисунков и 12 таблиц.
