Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Классификация соединений 11
1.2. Обзор литературы 14
1.3. Выводы по разделу 1 24
2. Применение МКЭ в расчётном анализе пересекающихся оболочек ...25
2.1. Основные соотношения МКЭ 26
2.2. Четырёхугольный оболочечный элемент 27
2.3. Геометрические соотношения для линии пересечения оболочек 36
2.3.1. Геометрические зависимости для координат на линии пересечения поверхностей оболочек 36
2.3.2. Преобразования координат 40
2.3.3. Геометрические соотношения для соединений оболочек с переходной секцией 44
2.4. Прикладная методика расчёта штуцерных узлов 49
2.5. Результаты методических исследований 55
2.5.1. Тестовые задачи 55
2.5.2. Сравнение расчётных и экспериментальных результатов 59
2.6. Выводы по разделу 2 68
3. Анализ напряжённого состояния штуцерных узлов 69
3.1. Основные геометрические параметры. Типовые виды нагружения 69
3.2. Действие внутреннего давления 74
3.2.1. Особенности напряжённого состояния в оболочках 75
3.2.2. Параметрический анализ 83
3.3. Действие внешних сил и моментов 89
3.3.1. Особенности напряжённого состояния 89
3.3.2. Результаты параметрического анализа 93
3.4. Температурное воздействие 99
3.5. Выводы по разделу 3 106
4. Штуцерные узлы с локальным укреплением . 107
4.1. Соединения с пропущенным штуцером 109
4.2. Соединения с монолитным укреплением штуцера 113
4.3. Укреплённые соединения с накладным кольцом на днище 115
4.4. Соединения с торовой отбортовкой (вставкой) 118
4.5. Практические рекомендации 122
4.6. Прочностной анализ штуцерных узлов на эллиптических днищах реактора Р-302 123
4.5.1. Расчетные штуцерные узлы..,, 125
4.5.2. Проверочный расчет штуцерных узлов 127
4.5.3. Проверочный расчет укрепленных штуцерных узлов 130
4.7. Выводы по разделу 4 132
Основные выводы по работе 134
Список литературы 136
Приложение 1 150
Приложение 2 153
- Четырёхугольный оболочечный элемент
- Действие внутреннего давления
- Особенности напряжённого состояния
- Соединения с монолитным укреплением штуцера
Введение к работе
Актуальность темы. Сосуды давления широко применяются во многих отраслях промышленности. Прежде всего, это химическое, нефтехимическое и энергетическое машиностроение, газовая, нефтяная и нефтеперерабатывающая отрасли промышленности, криогенная техника, автомобилестроение, авиакосмическая техника и другие технические отрасли.
Аппараты, работающие под действием внутреннего давления, характеризуются широким диапазоном изменения габаритных размеров, разнообразными режимами эксплуатации; для их производства используется различные конструкционные материалы, в том числе и композитные. Примерами таких технических объектов являются реакторы различного назначения, сосуды давления, теплооб-менное оборудование энергетических и нефтегазохимических установок, агрегатные аппараты высокого давления, аппараты химического производства, котлы и парогазогенераторы, емкости пищевой промышленности и т.д. (рис. 0.1).
Основными конструктивными частями любого сосуда давления являются корпус и днища. Сосуды давления могут иметь различную форму, однако чаще всего их корпус представляет собой цилиндрическую оболочку. Концевыми элементами корпуса являются днища, фланцы или горловины, которыми оканчивается цилиндрическая часть сосуда давления. На практике используются днища различной формы: эллиптические, сферические, полусферические, торосферические, конические отбортованные, конические неотбортованные. Наиболее широкое применение в сосудах давления нашли эллиптические и сферические днища. Причём, согласно современным правилам «... устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» [45], эти днища должны иметь высоту выпуклой части, измеренную по внутренней поверхности, не менее 0,2 внутреннего диаметра днища. Уменьшение величины высоты днища допускается только при согласовании с научно-исследовательской организацией, регламентирующей разработку сосудов давления.
&-<>-
*-
В-
&
1; il
а) корпус реактора 6) корпус колонного аппарата
Рис. ОЛ. Аппараты, работающие под давлением
Сосуды давления имеют приварные штуцера для присоединения трубопроводов, (В технической литературе штуцер также называют патрубком или отводом.) Штуцера располагаются как на цилиндрическом корпусе, так и на днищах сосуда давления. Чаще всего штуцер выполняется в виде цилиндрической оболочки. Геометрические параметры штуцеров (диаметры, толщина стенки) могут различаться в довольно широком диапазоне, даже для одного сосуда давления.
Штуцерные узлы сосудов давления, как структурные элементы, представляют собой соединения пересекающихся оболочек различной геометрической формы. Вследствие конструктивной неоднородности таких соединений, связанной с резким изменением геометрии оболочечной конструкции за счет излома поверхности сопряжения оболочек, при различных эксплуатационных режимах в области сопряжения оболочек возникает локальное напряженное состояние, которое характеризуется относительно высоким уровнем напряжений (концентрацией напряжений) и существенно неоднородным распределением напряжений вблизи от этой области. Поэтому такие узлы являются, как правило, наиболее ответственными с точки зрения обеспечения прочностной надежности конструкции в целом.
Для обеспечения надёжной работы сосудов давления, прежде всего, необходимо строгое соблюдение норм и правил расчёта оборудования при эксплуатационных режимах. Проектирование рассматриваемых узлов во многих странах регламентируется специальными стандартами, среди которых наиболее известными являются ASME Boiler and Pressure Vessel Code (США), British Standard BS 5500 (Англия), ГОСТ 24755-89 (СТ СЭВ 1639-88) (Россия). Однако в этих стандартах нормативные методики расчета базируются на так называемом «методе замещенной площади» и, как правило, сводятся к геометрическому критерию выбора параметров штуцерных узлов, причем для относительно узкого диапазона изменения основных относительных геометрических параметров.
Сосуды давления, аппараты и резервуары, применяющиеся в различных технических областях, отличаются геометрическими размерами (габаритными, толщиной стенок оболочек), конструктивным выполнением штуцерных узлов, вида-
ми эксплуатационных силовых воздействий (механических, температурных, термосиловых). В нормах не приводятся методики расчёта напряжённого состояния при проектировании силовых узлов сосудов давления и аппаратов, не описывается влияние тех или иных факторов (прежде всего, геометрических) на прочность конструкции. Кроме того, применительно к штуцерным узлам на эллиптических днищах можно отметить, что вышеуказанные стандарты не содержат достаточной информации о выборе параметров укрепленных штуцерных узлов эллиптических днищ и не дают оценки уровня максимальных напряжений в штуцере и днище.
При разработке современного оборудования для различных промышленных отраслей существуют тенденции к увеличению рабочих параметров оборудования (давления, температуры и др.) при одновременном снижении металлоемкости технических изделий или их конструктивных узлов. При этом к проектируемому оборудованию предъявляются высокие требования по надежности, долговечности, технологичности. В связи с этим необходимо использование эффективных методов расчетного анализа действующих напряжений в несущей конструкции и наиболее ответственных конструктивных узлах при различных эксплуатационных режимах оборудования. Это позволит проводить экспресс-анализ конструктивных узлов на стадии проектирования, снизит сроки проектирования, обеспечит обоснованный выбор основных параметров ответственных узлов и конструкционных материалов.
Ввиду большой практической значимости таких конструкций, как аппараты и сосуды давления различного технического назначения, в последние три десятилетия выполняются активные исследования проблемы пересекающихся оболочек в различных направлениях с применением более совершенных методов анализа в механике конструкций. Таким образом, проведение детального анализа напряжённого состояния штуцерных узлов, как весьма ответственных конструктивных элементов сосудов давления и аналогичных конструкций, а также проведение параметрического анализа, позволяющего оценить влияние основных геометрических параметров на максимальные напряжения в конструкции, является актуаль-
ной и практически важной научно-исследовательской задачей. Решение этой задачи требует разработки эффективных расчетных алгоритмов и прикладных методик, учитывающих конструктивные особенности штуцерных узлов на сосудах давления и ориентированные на используемые нормы прочности для соответствующих технических объектов.
Цель диссертационной работы:
разработка прикладной методики расчета на прочность штуцерных узлов эллиптических днищ как конструктивных соединений пересекающихся оболочек;
разработка программных модулей и развитие программного обеспечения для прочностного анализа штуцерных узлов;
проведение расчетного исследования напряженного состояния штуцерных узлов при различных видах статического нагружения (внутреннее давление, внешние силы и моменты, температурное воздействие);
проведение параметрического анализа неукрепленных и локально укрепленных штуцерных узлов.
Научная новизна работы:
разработана новая конечно-элементная модель для расчета оболочек в широком диапазоне изменения параметра тонко стенности (для тонких оболочек и оболочек средней толщины);
решены новые задачи для класса пересекающихся эллипсоидальной и цилиндрической оболочек;
получены новые результаты исследования напряженного состояния и концентрации напряжений в штуцерных узлах эллиптических днищ;
получены новые результаты параметрического анализа локально укрепленных штуцерных узлов на эллиптическом днище.
Достоверность основных положений и выводов обеспечивается строгим подходом в решении задач теории оболочек, проведением тестовых расчетов для оболочек различной геометрической формы, сравнительным анализом расчетных и экспериментальных результатов для моделей пересекающихся оболочек (штуцерных узлов).
церных узлов).
Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований усовершенствована прикладная методика прочностного анализа неукрепленных и локально укрепленных штуцерных узлов на эллиптическом днище. Прикладная методика реализована в виде специализированной вычислительной программы для персональных компьютеров, обеспечивающей достаточно точные расчетные результаты по напряжениям при относительно малых вычислительных затратах. Получены результаты параметрического анализа типовых штуцерных узлов эллиптических днищ, которые могут быть использованы при проектировании сосудов давления различного назначения. На основе этих результатов разработаны практические рекомендации по выбору рациональных параметров локального укрепления штуцерных узлов для снижения максимальных напряжений в штуцере и днище.
Реализация результатов работы. Разработанная прикладная методика и специализированная вычислительная программа использовались для исследования напряженного состояния штуцерных узлов реактора Р-302 НПЗ АО «Мажей-кю нафта» (Литва). Сделанные практические рекомендации реализованы для модернизации отдельных штуцерных узлов реактора.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на научных семинарах кафедры «Сопротивление материалов» МГИУ (2001-2003 гг.), на конференции аспирантов и молодых специалистов МГИУ (2002 г.) «Актуальные проблемы технических, экономических, педагогических и социально-гуманитарных наук», на отраслевом семинаре «Численные методы и программное обеспечение расчетов на прочность» в инженерном центре прочности министерства атомной энергии (ИЦП МАЭ, г. Москва, 2003 г.), на научно-технической конференции «Творчество молодых в науке и образовании» МГУИЭ (2003 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 3 статьях, одна из которых издана за рубежом.
На защиту выносятся:
новая конечно-элементная модель для расчета тонкостенных оболочек и оболочек средней толщины;
прикладная методика расчетного анализа напряженного состояния штуцерных узлов эллиптических днищ как конструктивных соединений пересекающихся оболочек;
результаты расчетного анализа напряженного состояния штуцерных узлов эллиптических днищ при различных видах механического нагружения (внутреннее давление, внешние силы и моменты), температурном воздействии, термоси-лов ом нагружении;
результаты параметрического анализа неукрепленных и локально укрепленных штуцерных узлов.
Четырёхугольный оболочечный элемент
В расчётном анализе штуцерный узел на эллиптическом днище рассматривается как соединение двух пересекающихся оболочек - эллипсоидальной и цилиндрической. Такая расчётная модель является достаточно адекватной для исследования напряжённо-деформированного состояния штуцерного узла, позволяющей учесть сложность геометрии и особенности упругого взаимодействия структурных элементов (оболочек) соединения.
Эллипсоидальная и цилиндрическая оболочки (днище и штуцер) представляют собой оболочки вращения. Для описания геометрии оболочки используют понятия срединной поверхности и лицевых поверхностей (наружной и внутренней) оболочки. Рассматриваемые соединения отличаются тем, что ось штуцера либо пересекает ось вращения эллипсоидальной оболочки на ее поверхности (центральное соединение), либо точка пересечения оси штуцера со срединной поверхностью эллипсоидальной оболочки (т. Ot) смещена относительно оси вращения эллипсоида. В целях проведения системного параметрического анализа введём в рассмотрение следующие типовые соединения для штуцерных узлов на эллиптическом днище (рис. 1.2): 1) соединения с центральным штуцером; 2) соединения с нецентральным штуцером. В зависимости от положения оси штуцера по отношению к поверхности эллиптического днища рассматриваются такие соединения (см. рис. 1.2.): а) радиальное соединение (а = 0); б) нерадиальное соединение (а = 0). Угловой параметр а определяет отклонение оси штуцера от нормали и0 к поверхности эллипсоидальной оболочки в точке её пересечения осью штуцера. В анализе используются понятия главной и поперечной плоскостей СОЄДИНЄЕШЯ. Главной плоскостью соединения называется плоскость, проходящая через оси оболочек. Поперечная плоскость соединения проходит через нормаль и0 и перпендикулярна главной плоскости. по і а радиальное нерадиальное а) соединения с центральным штуцером на днище tio\-—I радиальное нерадиальное б) соединения с нецентральным штуцером на днище Рис. 1.2. Типовые соединения пересекающихся эллипсоидальной и цилиндрической оболочек Резкое изменение геометрии оболочечной конструкции вследствие пересечения поверхностей оболочек штуцера и днища приводит к возникновению локального напряжённого состояния в оболочках при различных видах нагружения. Напряжённое состояние характеризуется существенной неоднородностью в области пересечения, значительными градиентами компонентов напряжений, высоким уровнем концентрации напряжений, особенно в тонкостенных оболочках. Такие местные напряжения могут явиться причиной появления локальных пластических деформаций, усталостных трещин, т.е. приводить к снижению прочности и долговечности конструкции.
Для снижения максимальных напряжений в оболочках днища и штуцера применяют различные конструктивные способы локального укрепления штуцерных узлов. С практической точки зрения к типовым конструктивным вариантам укрепления штуцерных узлов можно отнести [18]: 1) применение пропущенного штуцера; 2) применение монолитного (интегрального) укрепления штуцера и/или днища; 3) применение кольцевой накладки на днище; 4) применение переходной секции (отбортовки или вставки). Кроме того, возможны варианты комбинированного укрепления штуцерного узла: например, применение штуцера с локально утолщённой стенкой (монолитное укрепление) и приварной кольцевой пластины для днища. Использование конкретного способа укрепления штуцерного узла определяется различными причинами: эффективностью укрепления (степенью снижения максимальных напряжений в оболочках), выбором объекта укрепления (штуцера или днища), технологичностью выполнения укрепления и др. Накладочное укрепление штуцера обычно не применяется. В ряде отраслей для ответственных узлов сосудов давления запрещено применение накладочного укрепления корпуса или днища (например, в реакторах атомной техники). К технологически простым вариантам укрепления штуцерного узла следует отнести применение локально утолщённого штуцера, пропущенного штуцера, накладочного кольца небольшого диаметра. Укрепление в виде переходной секции можно осуществить либо загибом кромки отверстия на днище (отбортовкой), либо приваркой торовой вставки. (Известна эффективная финская технология T-Drill для тройниковых трубчатых соединений, при которой на одной установке осуществляется высверливание отверстия, его развальцовка, механическая обработка отбортовки и приварка трубы-отвода.) Преимуществом применения отбортовки является то, что сварной шов выводится из зоны действия максимальных напряжений.
Действие внутреннего давления
Использование локального укрепления экономически выгодно с позиции металлоёмкости. Поэтому, как отмечалось выше, одной из задач проводимых исследований является сравнительный анализ эффективности различных способов укрепления штуцерных узлов, включающий и анализ влияния основных параметров укрепления на максимальные напряжения в оболочках.
Штуцерные узлы на эллиптическом днище применяются для сосудов давления различных технических отраслей. Для ряда отраслей существуют нормы прочности, наиболее известными из которых являются американский стандарт ASME Code [83], британский стандарт BS 5500 [89], российский стандарт [18]. В этих нормах, а также в других нормативных материалах, в справочной и методической литературе [22, 45, 48, 49, 70] частично отражены вопросы выбора основных геометрических параметров штуцера и эллиптического днища. Расчётные формулы по выбору размеров основаны на так называемом «методе замещённой площади» (способе компенсации вырезанного материала). Такой метод является приближённым, рекомендуется для весьма ограниченного диапазона изменения относительных параметров штуцерного узла. Кроме того, нормы не содержат каких-либо расчётных оценок для максимальных напряжений, а дают лишь геометрический критерий по контролю параметров штуцерного узла. В монографии [39] для выпуклых днищ торос ферического типа приведены рекомендации по оценке максимальных напряжений в днище, используя коэффициент повышения номинальных напряжений. Значения этого коэффициента даны в виде номограммы для некоторых характерных геометрических параметров.
Приближённые эмпирические зависимости не могут охватить широкий диапазон изменения геометрических параметров аппаратов и сосудов давления различного назначения, дать полную оценку напряжённого состояния в области штуцерного узла. Корпус, днища и штуцера как конструктивные элементы сосудов давления являются оболочками. Пересекающиеся оболочки и, в частном случае соединения эллипсоидальной и цилиндрической оболочек, относятся к обол о-чечным конструкциям сложной структуры. Поэтому более строгий подход в прочностном анализе штуцерных узлов эллиптических днищ основан на использовании теории оболочек. Применяемые методы расчёта оболочек и оболочечных конструкций основаны на фундаментальных работах многих отечественных и зарубежных учёных: С.А. Амбарцумяна, Л.И. Балабуха, В.Л. Бидермана, В.В. Васильева, В.З. Власова, А.Л. Гольденвейзера, Э.И. Григолюка, Я.М Григоренко, Л. Донелла, В,В. Новожилова, Э. Рейсснера, СП. Тимошенко, В.И. Феодосьева, В. Флюгге, К.Ф. Черных и др. Создание общей теории оболочек, обоснование применения различных её вариантов позволило разработать прикладные методы расчёта тонких оболочек и оболочек средней толщины, изотропных и анизотропных, осесимметричных и специальной геометрии и т.д. В случае оболочек простой геометрии получены аналитические решения, однако они имеют ограниченную область применения. В более общих случаях, особенно при расчёте оболочечных конструкций, применяются численные методы расчёта, широкое использование которых обеспечило развитие вычислительной техники. В разработке и применении численных методов при решении различных задач теории оболочек важную роль сыграли работы Дж. Г. Аргириса, В.Л. Бидермана, Д.В. Вайнберга, А.Т. Василенко, Р. Галлагера, С.К. Годунова, ЯМ. Григоренко, О. Зенкевича, AJB. Кор-нишина, В.И. Мяченкова, В.А. Постнова, Р.Н. Резникова, Э. Рейсснера, Л.Н. Ро-зина, А.Г. Угодчикова, В.И. Феодосьева, А.Н. Фролова и др. В этих работах предложены эффективные численные алгоритмы метода конечных разностей (МКР), метода прогонки в различных вариантах, метода конечных элементов (МКЭ).
Наиболее простое решение может быть получено для радиального центрального соединения цилиндрической и эллипсоидальной оболочек. В этом случае получается осесимметричная оболочечная конструкция, а при нагружении внутренним давлением или осевой силой расчёт сводится к решению осесимметрич-ной задачи. При этом основные трудности возникают для эллипсоидальной оболочки, расчёт которой сводится к решению дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами.
Особенности напряжённого состояния
В этом направлении одними из первых были работы G. Galletly [99, 100], в которых применяется классическая теория тонких оболочек и так называемый «метод коэффициентов влияния» для расчёта эллиптического днища с центральным радиальным штуцером. Рассмотрены весьма тонкостенные оболочки, в том числе составная оболочечная конструкция (эллипсоид - тороидальная оболочка -цилиндр) при действии внутреннего давления. В основном даётся описание расчётной методики и приведены выражения для внутренних усилий в характерных сечениях (на линии пересечения оболочек) для частных примеров.
Этот же метод служит основой для анализа упругих напряжений в эллиптическом днище с радиальным штуцером в работах Y. Chao и М. Sutton [92, 93]. Рассмотрены соединения с пристыкованным и пропущенным штуцером при действии внутреннего давления и осевой силы. Для эллипсоидальной оболочки применяются уравнения Мейсснера теории тонких оболочек, которые численно интегрируются по схеме Рунге-Кутта. Использование условий сопряжения оболочек приводит к системе линейных алгебраических уравнений относительно краевых усилий в оболочках. Даются расчётные результаты для коэффициентов концентрации напряжений (максимальных и эквивалентных) в днище и штуцере для различных геометрических параметров. Эта же расчётная методика используется для анализа фактора гибкости (безразмерного параметра осевых перемещений) эллиптического днища с радиальным штуцером при действии осевой силы [91, 94], Рассмотрены неукреплённые соединения и соединения с кольцевым накладочным и интегральным укреплением днища. Расчётные результаты приведены для различных геометрических параметров соединений.
В работе В.А. Земель и Г.И. Феденко [23] даётся приближённое решение задачи сопряжения цилиндрического штуцера и эллиптического днища при действии внутреннего давления. Хотя рассматривается несимметричное соединение оболочек, используются решения для оболочек, соответствующие осесимметрич-ной задаче теории тонких оболочек. В результате получаются упрощённые формулы для напряжений. К сожалению, работа содержит многие неточности, а полученные результаты, конечно, имеют весьма ограниченное применение. Аналогичный приближённый подход использован в работе [71] для решения осесимметричной задачи для эллиптического днища, соединяемого с радиальным штуцером через торовую отбортовку. Получена приближённая формула для максимальных напряжений в отбортовке. Осесимметричное соединение эллиптической и цилиндрической оболочек рассмотрено в работе Н.Г. Машель [36], где построено приближённое решение. Для случая нагружения внутренним давлением получены формулы для оценки максимальных напряжений в оболочках, которые имеют ограниченное применение, главным образом, для соединений с малым отношением диаметров оболочек. Приведены данные экспериментальных исследований для радиального центрального штуцерного узла на эллиптическом днище.
В работе [72] описана процедура применения МКЭ в трёхмерной постановке для анализа напряжённого состояния радиального центрального штуцерного узла на эллиптическом днище сосуда высокого давления. Рассмотрена осесимметрич-ная задача, в решении использовались осесимметричные элементы с билинейной аппроксимацией перемещений в элементе. Сосуды высокого давления являются специфическими конструкциями и представляют собой толстостенные оболочки (в указанной работе расчётные данные приведены для штуцера с отношением диаметра к толщине, равным 2), поэтому коэффициенты концентрации напряжений являются относительно небольшими.
В наиболее общей постановке соединения пересекающихся эллипсоидальной и цилиндрической оболочек представлены в работах В.Н. Скопинского и Н.А, Беркова [56, 57, 132]. Для анализа напряжённого состояния применяется МКЭ в двухмерной постановке с использованием моментнои теории тонких оболочек вращения. Рассмотрены соединения с центральным и нецентральным штуцером при действии внутреннего давления. Даны некоторые результаты параметрического анализа.
Соединения с монолитным укреплением штуцера
Для штуцерных узлов на таких днищах оценка напряжений ведётся исходя из решения задачи о пересечении сферической и цилиндрической оболочек. В случае осесимметричной задачи возможно получение аналитического выражения для оценки максимальных напряжений на основе теории тонких оболочек. В какой-то мере такое решение может быть использовано для штуцерных узлов на эллиптических днищах при относительно малом отношении диаметров оболочек, кроме того — для апробации расчетной методики для штуцерных узлов на эллиптическом днище (осесимметрич-ная задача). Здесь следует отметить работы [10, 34, 113, 115, 124, 127, 116] (в последней приведён обзор литературы на тот период), где рассмотрены радиальные соединения сферической и цилиндрической оболочек — гладкие и подкреплённые, с приварным и пропущенным штуцером. Приводятся результаты для коэффициентов концентрации напряжений в оболочках при действии внутреннего давления. Более подробно эти задачи рассмотрены в книге [102], где даются результаты для радиальных соединений не только при действии внутреннего давления, но и при нагружении штуцера осевой силой и изгибающим моментом. В меньшей степени рассмотрены нерадиальные соединения штуцера на сферическом днище. Некоторые результаты приведены в работах [20, 21, 32]. Они получены на основе приближённого аналитического решения. Процедура приближённого аналитического решения для нерадиального штуцера, пропущенного внутрь сферического сосуда давления, приведена в работе [144]. Используется теория пологих оболочек, рассматриваются соединения с малым отношением диаметров штуцера и сферы ( 0,08), даётся сопоставление с экспериментальными данными. Численные методы для анализа штуцерных узлов на сферической оболочке применяются реже, чем аналитические, причём чаще всего для толстостенных оболочек. В работах [32, 80, 130] результаты получены с использованием МКЭ, в работе [143] - на основе МКР. Одни из первых результатов для штуцерных узлов на сферическом сосуде давления с укреплением в виде приварной накладки на сосуде были опубликованы в работе [103]. Эти исследования легли в основу расчётной процедуры в Британском стандарте для сосудов давления. Кстати, в этом стандарте не делается различия между монолитным (интегральным) и накладочным укреплениями сосуда давления, хотя на геометрию накладочного укрепления устанавливают некоторые ограничения. Аналитическое решение для радиальных штуцерных узлов на сферическом сосуде давления с приварной накладкой приведено в работе [28]. Оно построено на базе комбинации безмоментного напряжённого состояния и краевого эффекта в оболочке. Причём, делается допущение об отсутствии поверхностных сил взаимодействия между накладкой и основной оболочкой. Результаты теоретических исследований сравнивались с экспериментальными данными, полученными при испытании серии сосудов давления [13]. Кроме того, специальные измерения в этих испытаниях показали, что влияние смыкания зазоров между накладкой и основной оболочкой пренебрежимо мало.
Определённую ценность для исследования штуцерных узлов на сферической оболочке имеют экспериментальные результаты, полученные как для натурных сосудов, так и для моделей. Среди таких исследований следует отметить работы [13, 96, 142] (для радиальных соединений), [105, 144] (для нерадиальных соединений). Для получения экспериментальных результатов чаще всего применялся метод электротензометрии с использованием малобазных тензодатчиков сопротивления, реже — метод фотоупругости с «замораживанием деформаций». Опубликованные результаты касаются нагружения внутренним давлением, осевой силой и моментом, приложенных к штуцеру. Тщательно полученные экспериментальные данные являются источником для сопоставления с расчётными результатами в целях апробации прикладных методик для расчёта штуцерных узлов не только сферических, но и эллиптических днищ.
Оригинальная методика для расчёта штуцерных соединений на цилиндрическом корпусе или сферическом днище рассмотрена в работе [ПО]. Используется специальный переходный конечный элемент, приближённо моделирующий напряжённо-деформированное состояние (НДС) (на основе плоской теории упругости) в области пересечения оболочек сложной геометрической формы. Числовой пример приведён для осесимметричной задачи сфера-цилиндр, но точность результатов не лучше, чем у обычного конечно-элементного анализа. В работе [103] приводятся результаты анализа напряжений в полусферической оболочке с нерадиальным пропущенным штуцером с применением МКЭ. Используется 8-узловой изопараметрический элемент Ахмада и известная вычислительная программа ABAQUS. Продолжение этой работы представлено в статье [128], где рассмотрена приближённая методика оптимизации таких конструктивных соединений за счёт изменения толщин трёх сопрягаемых оболочек для снижения концентрации напряжений.
Похожие диссертации на Прочностной анализ штуцерных узлов на эллиптических днищах сосудов давления
