Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Выбор объекта и направления исследований 13
1.1 Объект исследований. 13
1.1.1 Обоснование выбора объекта исследований 13
1.1.2 Теплообменные аппараты [15-21] 15
1.1.3 Трубчатые выпарные аппараты [20] 28
1.1.4 Рекуператоры для промышленных печей [51] 41
1.1.5 Применяемые материалы и их химически состав 62
1.1.6 Нормативы на ремонт оборудования [52] 64
1.1.7 Влияние коррозии 65
1.2 Выбор направления исследования. 67
Выводы по главе и формулировка задач научного исследования 76
Глава 2 Малоцикловая усталость трубчатых элементов конструкций 78
2.1 Основные положения теории знакопеременной циклической термопластичности [8, 33] 78
2.2. Математическая модель пластического течения материала при нестационарном термомеханическом нагружении [18, 27, 38-40, 59] 84
2.3 Математическая модель кинетики процесса накопления повреждений [18, 32, 38-40, 59] 91
Выводы по главе 96
Глава 3 Метод и алгоритм расчета величины накопленных повреждений и ресурса трубчатых элементов конструкций 97
3.1 Постановка задачи 97
3.2 Метод решения 98
3.3 Алгоритм расчета 102
3.4 Программное обеспечение метода и алгоритма расчета несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций 105
Выводы по главе 106
Глава 4 Компьютерный анализ надежности и ресурса трубчатых элементов конструкций 107
4.1 Условия численного эксперимента 107
4.2 Исследование скорости накопления повреждений при синхронном изменении во времени осевого усилия и внутреннего давления 109
4.3 Исследование скорости накопления повреждений при очередном нагружении осевым усилием и внутренним давлением . 109
4.4 Исследование скорости накопления повреждений при очередном нагружении внутренним давлением и осевым усилием. 110
Выводы по главе 112
Заключение 114
Список литературы
- Обоснование выбора объекта исследований
- Математическая модель пластического течения материала при нестационарном термомеханическом нагружении [18, 27, 38-40, 59]
- Программное обеспечение метода и алгоритма расчета несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций
- Исследование скорости накопления повреждений при очередном нагружении осевым усилием и внутренним давлением
Введение к работе
Актуальность работы. Для изготовления аппаратов и технологического
оборудования наиболее широко применяются трубчатые элементы. Теплообменные, колонные и выпарные аппараты, нагреватели и др. содержат в своей конструкции трубы. В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах основным рабочим элементом конструкции, является трубчатый элемент.
Службы эксплуатации, химических и нефтехимических предприятий предъявляют высокие требования к надежности аппаратов и конструкций, длительности безаварийной эксплуатации отдельных их элементов. Для успешного достижения поставленных задач необходимо надежное определение оценки ресурса оборудования, как на этапе проектирования, так и в процессе его эксплуатации.
Большинство элементов машин и конструкций в процессе своей работы испытывают регулярные циклические воздействия, которые разделяются на много- и малоцикловые. Системы, работающие в многоцикловой области (более 105 циклов нагружения до разрушения конструкции), обычно достаточно прочные и, как правило, их полное разрушение практически не достижимо, что позволяет проводить их анализ и прогнозирование ресурса и долговечности по приближенным аналитическим зависимостям. Системы, испытывающие воздействия малоцикловых нагрузок, менее прочны и надежны, нежели системы с многоцикловым характером воздействий. Поэтому их расчеты требуют большей точности и адекватности, реально происходящим процессам в конструкции.
Реальные условия работы нефтехимических и химических установок
характеризуются нарастающими во времени многопараметрическими нестационарными
воздействиями, приводящими к упругопластическим деформациям элементов
конструкций и снижению начальных прочностных свойств материала, что вызывает накопление повреждений в материале труб и их разрушению. Сложность применения неразрушающих средств контроля для мониторинга остаточного ресурса оборудования определяет актуальность развития методов компьютерного анализа.
На протяжении ряда лет развитие математической теории пластичности занималось большое количество ученых, в том числе Ишлинский А.Ю., Ивлев Д.Д., Русов Б.П.. Наибольшие успехи в разработке метода расчета малоцикловой усталости конструкций, модели поведения и накопления повреждения в конструкционных материалах были достигнуты в работах Биргера И.А., Ильюшина А.А., Боли Б., Коваленко А.Д., Малинина Н.Н., Мэлана Э., Работнова Ю.Н., Шорра Б.Ф.. Проводя численный анализ конструкции
4 при малоцикловом характере нагружения, важно правильно давать оценку ее ресурса и долговечности. В работах Казакова Д.А., Коротких ЮГ. описываются несколько подходов для оценки выработанного ресурса и прогноза остаточного ресурса. А именно: диагностика состояния материала объекта физическими методами (акустическими); измерение диагностических параметров в процессе эксплуатирования объекта; математическое моделирование повреждений объекта. Указывается, что последний подход наиболее перспективный и наиболее дешевый и с тем же наиболее сложный в реализации. Формулируются основные положения современного подхода к оценке выработанного ресурса:
S моделирование основных физических стадий развития процесса разрушения;
S учет нелинейного суммирования повреждений при изменении нагружений;
S учет реальной истории нагружения и ее влияние на скорости протекания процессов;
S разработка алгоритмов оперативной оценки выработанного ресурса. Актуальность указанной проблемы определила выбор направления исследований и основное содержание работы.
Степень разработанности темы.
Вопрос расчета оценки ресурса работы трубчатых элементов известен, но требует проведения дополнительных исследований в данной области. Использование нормативно-технической документации при проектировании трубчатых элементов оборудования приводит к завышенным оценкам ресурса и не позволяет оценить опасность возможных накоплений повреждений. Сложные условия работы трубчатых элементов при нестационарных термомеханических нагрузках, сложность применения методов неразрушающего контроля определяют актуальность развития наиболее точных методов численного моделирования процессов накопления повреждений, основанных на положениях механики упругопластической сплошной среды с учетом истории нагружения и изменения механических свойств конструкционного материала.
Целью работы является разработка метода и алгоритма инженерного анализа несущей способности трубчатых элементов конструкций, численная реализация разработанного метода с помощью разработки математического и программного обеспечения для ЭВМ и последующий расчет ресурса эксплуатации аппарата. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
S аналитический обзор печатных изданий и экспериментальных работ, касающихся вопросов малоцикловой усталости в целом и трубчатых элементов в частности;
5 S разработка математической модели кинетики процесса накопления
повреждений в конструктивном материале; S разработка метода и алгоритма расчета прочности трубчатых элементов технологических аппаратов, на основе математических моделей кинетики процесса упругопластического деформирования материала; S численная реализация метода расчета величины накопленных повреждений и ресурса трубчатых элементов. Научная новизна:
S предложена модель кинетики процесса накопления повреждений в
конструкционном материале; S разработан метод и алгоритм расчета прогнозируемых значений ресурса
трубчатых элементов при нестационарном термомеханическом нагружении; S методами численного эксперимента рассчитаны характерные особенности
работы трубчатых элементов в широком диапазоне параметров нагружения. Все основные результаты работы получены лично автором Обоснованность научных результатов определяется тем, что в работе использованы известные теоретические положения механики деформируемого твердого тела. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным согласованием расчетных величин с известными экспериментальными данными. Практическая значимость.
Представляет метод и алгоритм расчета ресурса трубчатых элементов конструкций, реализованные в виде математического и программного обеспечения для ЭВМ. Позволяющие скорректировать характеристики прочности материалов и прогнозировать срок службы.
Теоретическая значимость.
Использованные в диссертации подходы и методы развивают теоретические основы механики упруго-пластического деформирования тела и способствуют совершенствованию и повышению надежности при увеличении рабочих нагрузок.
Методология и методы исследования: при решении поставленных задач использовались средства физического и математического моделирования, математическая теория пластичности, методы расчета малоцикловой усталости конструкций, технологии разработки программного обеспечения. Положения, выносимые на защиту:
1. математическую модель упругопластического деформирования трубчатого элемента;
-
метод и алгоритм автоматизированного расчета ресурса трубчатых элементов конструкций;
-
результат расчета ресурса трубопроводов и трубчатых элементов теплообменников в широком диапазоне параметров нагружения.
Апробация работы и научные публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ в г. Москве в 2010 г; V международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве» в г. Протвино в 2011 г.; IХ международной научно-практической конференции «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» в г. Москве в
-
г.; XXV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25» в г. Саратове в 2012 г.; международной научной конференции «Технические науки и современное производство» на Канарских островах, г. Тенерифе в
-
г.; XXVI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-26» в г. Нижний Новгород в 2013 г.
Содержание работы представлено в 11 публикациях, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ; получено свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ №2013612980.
Соответствие диссертации научной специальности
Диссертация соответствует специальности 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (химическая промышленность)», а именно: пункту 1 – «Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов; механизации производства в соответствии с современными требованиями внутреннего и внешнего рынка, технологии, качества, надежности, долговечности, промышленной и экологической безопасности»; пункту 5 – «Разработка научных и методологических основ повышения производительности машин, агрегатов и процессов и оценки их экономической эффективности и ресурса».
Объем работы. Диссертация содержит введение и 4 главы, 114 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 4 таблицы, список литературы 71 источник и 3 приложения на 16 страницах. Общий объем работы без приложений - 98 страницы.
Обоснование выбора объекта исследований
Безопасность, надежность и ресурс изделий современного машиностроения в значительной степени определяются качеством проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта трубопроводных систем и трубчатых элементов, являющихся неотъемлемой частью большинства машин и агрегатов.
Аварийные ситуации, связанные с отказами технологического оборудования нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, могут послужить причиной серьезных экологических катастроф. Составной частью таких производств являются трубопроводные системы, а также кожухотрубчатые теплообменники, трубчатые элементы конструкций которых работают в сложных условиях нестационарных термомеханических воздействий, приводящих к деградации прочностных свойств конструкционного материала. Длительность процессов накопления повреждений в конструкционном материале определяется условиями эксплуатации, а поврежденность не может быть выявлена традиционными методами неразрушающего контроля. Постепенно развивающиеся процессы накопления повреждений могут привести к внезапным отказам.
Практическая невозможность определения остаточного ресурса с помощью неразрушающих средств контроля определяет актуальность развития методов численного моделирования процессов накопления повреждений, основанных на положениях механики упругопластической сплошной среды с учетом истории нагружения и изменения механических свойств конструкционного материала.
Проблема течения материала важна для современной жизни. Практические исследования по проблеме теории течения материала имеют большое прикладное значение: они позволяют выявить новые результаты и явления в поведении материала, а также позволяют с большой долей надежности проверить теоретические выкладки по этой проблеме, которые существуют на сегодняшний день.
Исследования в области повышения надежности аппаратов, работающих под давлением, трудоемкие и дорогостоящие, при условии проведения натурных испытаний. Использование достоверных и достаточно точных математических методов и алгоритмов позволяет создавать программные продукты, позволяющие осуществлять такие исследования с намного меньшими материальными и физическими затратами. Также применение ЭВМ для решения такого рода задач значительно экономит время, затрачиваемое на исследования.
В качестве объекта исследований в данной работе выбраны трубчатые элементы аппаратов.
Выбор в качестве объекта исследований трубчатых элементов обусловлен следующими основными причинами:
1. Из всех элементов конструкций химического и нефтегазового машиностроения, трубчатые элементы наиболее широко применяются. Грануляторы, колонные и выпарные аппараты, сепараторы, нагреватели и др. имеют в своей конструкции трубку.
2. Во многих аппаратах, например в кожухотрубчатых телообменниках (рисунок 1.1) трубчатый элемент является основным рабочим элементом. Надежность данных установок во много определяется долговечностью трубок, поэтому исследование долговечности и надежности трубчатых элементов является ключевой задачей в деле обеспечения надежности агрегатов в целом.
Кожухотрубчатый теплообменный аппарат 3. Теоретическая часть проводимых исследований может дать универсальный методологический подход к решению задач в других производствах, использующих подобные конструкционные элементы. Основными направлениями в проведении численных экспериментов являются: S изучение влияния различных факторов технологической среды; S поиски оптимального режима работы аппарата. Для проведения исследования в этих направлениях использовался разработанный программный комплекс «LifeCycle», который является отраслевой САПР системой. Также возможно его автономное применение в системе автоматизированного рабочего места инженера-конструктора химической, нефтяной и смежных отраслей промышленности.
Теплообменные аппараты применяются для нагревания, охлаждения, конденсации и испарения различных жидких, газообразных и газожидкостных сред.
Передача тепла в теплообменных аппаратах осуществляется от среды, имеющей более высокую температуру, к среде с низкой температурой. Движущей силой при теплообмене является разность температур сред. Теплообмен осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и теплоизлучения. В большинстве случаев среды в теплообменных аппаратах не смешиваются между собой и отделены друг от друга листом (в спиральных и пластинчатых теплообменниках) или стенкой труб (в кожухотрубчатых аппаратах), их движение осуществляется параллельно или противотоков по двум или более (при нескольких теплоносителях) пространствам аппаратам.
Типы, основные параметры и размеры ряда стальных теплообменных аппаратов стандартизированы. Наиболее характерными из них являются спиральные, пластинчатые, типа «труба в трубе» и особенно кожухотрубчатые. Если для проведения процесса требуются сравнительно большие поверхности теплообмена, то применяют, главным образом, трубчатые теплообменники. Поверхность теплообмена в трубчатых теплообменниках может быть получена различным способом. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты
Наиболее распространенной конструкцией является кожухотрубчатый теплообменник, в кожухе которого с двух концов приварены трубные решетки, в которые входит пучок трубок. Днища соединены с кожухом на фланцах при помощи болтов, что позволяет снимать днища и прочищать трубки. Трубки теплообменника прямые; поэтому их легко прочистить и в случае появления течи заменить новыми.
Кожухотрубчатые теплообменники, холодильники, конденсаторы и испарители стандартизированы, выпускаются на широкий диапазон рабочих параметров и применяются для самых разнообразных условий теплообмена между технологическими продуктами. Конструктивные схемы стандартизированных теплообменных аппаратов показаны на рисунке 1.2. Испарители кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе применяются для испарения сред в технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической и газовой отраслях.
Согласно ГОСТ 15119-79 бывают двух типов: Н – с неподвижными трубными решетками, К – температурным компенсатором на кожухе. Имеют два исполнения: 1 - вертикальные с жидкими, газообразными и парогазовыми теплоносителями; 2 - с вертикальным теплоносителем. Основные параметры и размеры:
Математическая модель пластического течения материала при нестационарном термомеханическом нагружении [18, 27, 38-40, 59]
Следует обратить внимание на то, что противовес должен только предохранять трубы от прогиба, но никаким образом не компенсировать весь вес трубы, который должен передаваться на нижнюю дырчатую доску. Иначе в трубе возникнут большие растягивающие усилия, а это может весьма вредно отразиться на прочности труб, стенки которых нагреты до высокой температуры.
Большое значение для прочности рекуператора имеет также вопрос обеспечения равномерного нагрева труб в поперечном сечении секции, так как если трубы жестко вварены в днища (дырчатые доски), расположенные по концам секции труб, то при разной температуре нагрева трубы будут удлиняться неодинаково, в результате чего возможны коробление днищ и разрыв отдельных труб. Для предотвращения этого секцию рекуператорных труб разбивают на несколько групп (две, три, четыре и более) с устройством компенсирующих противовесов для каждой группы отдельно, данном случае секция (вторая) разбита на две группы.
Компенсационные противовесы и разбивка на группы труб сделаны только во второй по воздуху секции, так как стенки труб этой секции нагреваются до весьма высоких температур. В первой секции трубы нагреваются до значительно более низких температур и устраивать такие сложные приспособления для компенсации температурного расширения труб нет необходимости.
На рисунке 1.24 показаны конструкция верхней воздушной коробки одной группы второй секции рекуператора и уплотнение в месте прохода трубопровода горячего воздуха от коробки через кожух рекуператора. В таблице 1.4 дана основная характеристика трех (подобных описанным выше) больших трубчатых рекуператоров со стальными гладкими трубами, предназначенных для крупных металлургических печей (в основном доменных печей). Таблица 1.4 - Основная характеристика больших трубчатых рекуператоров
Однако в условиях переменного теплового режима (периодически работающие печи, воздухоподогреватели для вагранок) периодическое нагревание и охлаждение труб ведут к изгибу труб на горячем конце пучка, так как в момент разогрева при входе дымовых газов в пучок труб ввиду малого количества газов и низкой температуры стенок труб передние (по ходу дымовых газов) трубы расширяются больше, чем задние, а при охлаждении рекуператора наоборот. Поэтому передние трубы изгибаются. Изгиб способствует увеличению осаждения пыли и усложняет удаление ее с труб.
Учитывая это, начали применять (например, для воздухоподогревателей вагранок) конструкцию, изображенную на рисунке 1.25, являющуюся более совершенной для запыленных газов. Рекуператор используется для подогрева до 550 С воздуха в количестве 6500 м3/ч. Для удобства замены труб рекуператор сделан многосекционным с короткими трубками и большим количеством отверстий в обмуровке для очистки дымовой поверхности труб. Дымовые газы содержат пыли 20 г/м3. Первая секция (по дыму) сделана легкозаменяемой.
Рисунок 1.24 - Секционный трубчатый рекуператор с наружным обтеканием труб дымовыми газами: 1 — вход дымовых газов; 2 — выход дымовых газов; 3 — вход холодного воздуха; 4 — выход горячего воздуха; 5—воздушный байпас; б — задвижки; 7— отверстия для чистки дымовой поверхности труб
Однако и в этой конструкции хорошо очистить трубы также нельзя, отчего наблюдаются местные перегревы труб и перенапряжение материала.
Таким образом, в конструкциях, где дымовые газы обтекают трубы рекуператора снаружи, при запыленных дымовых газах нельзя гарантировать достаточную продолжительность работы, так как очистка труб неравномерна по их поверхности. Места, очищение хуже, имеют более низкую температуру, чем хорошо очищенные, отчего трубы получают большие механические перенапряжения и, как следствие, изгибы.
Чтобы с целью уменьшения отложения пыли путь дымовых газов в рекуператоре сделать нее коротким и с меньшим количеством поворотов, начали применять рекуператоры, у которых дымовые газы идут внутри труб, а нагревающийся воздух обтекает трубы снаружи (рисунок 1.26).
В этом рекуператоре через несколько месяцев эксплуатации на обоих концах его начали наблюдаться отрывы приваренных труб. Тщательное обследование показало, что причиной этого являлась разная степень засорения отдельных труб. Через более засоренные трубы проходило меньшее количество дымовых газов, отчего эти трубы охлаждались и, укорачиваясь, отрывались от днищ, хотя вся система труб уравновешивалась противовесом. Отсюда следует, что при запыленных дымовых газах конструкции крепления труб на концах (к донным листам) должно предусматриваться самостоятельное их удлинение или укорачивание.
Нижние концы труб приварены к нижней дырчатой доске, а верхние концы труб проходят верхнюю дырчатую доску через специальное уплотнение типа сальника, обеспечивающее свободное их удлинение (рисунок 1.28). Направляющие перегородки, расположенные сравнительно часто, служат также для корректировки сложения труб и не позволяют им при тепловом расширении смещаться в горизонтальном направлении. При таком способе крепления различие в удлинении труб не будет приводить к деформации днищ воздушных коробок (трубных дырчатых досок) и уменьшению их прочности.
Программное обеспечение метода и алгоритма расчета несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций
При значительном развитии пластической деформации противоположного направления микронапряжения р меняют знак (на рис.2.2 А 0, а р2 О). Это указывает на хотя бы частично обратимый характер анизотропного упрочнения. При каждом изменении направления пластической деформации анизотропное упрочнение начинает развиваться как бы заново.
Простейшую идеализацию свойств материала при знакопеременной нагрузке дает стабильно пластичный материал (2-оу = const) с линейным анизотропным упрочнением, диаграмма деформирования которого показана на рисунке 2.3, а. Произвольное изотропное упрочнение при линейном анизотропном упрочнении показано на рисунке 2.3, б.
При циклических изменениях пластических деформаций наблюдается ряд специфических особенностей, которые являются весьма существенными для оценки несущей способности упругопластнческих тел.
Схематические диаграммы циклического деформирования образцов с изменением пластической деформации при постоянных амплитудах напряжения или деформации представлены на рисунке 2.4 Здесь по осям отложены некоторое условное напряжение а и деформация є. Как видим, для материалов а с увеличением числа нагружений при неизменной амплитуде напряжений соответствующие деформации уменьшаются, а в опытах с заданной амплитудой деформации соответствующие напряжения от цикла к циклу растут. Такие материалы называют циклически упрочняющимися. Для циклически разупрочняющихся материалов б картина прямо противоположная, а для циклически идеальных (стабильных) материалов в диаграммы деформаций повторяются от цикла к циклу.
Наибольшее изменение диаграмм деформирования происходит при первых циклах, более того, как правило, с увеличением числа циклических нагружений нестабильных материалов наступает стационарное состояние, такое, что при любом последующем нагружений происходит повторение диаграмм деформирования, т. е. материал становится циклически идеальным (стабильным).
Математическая модель пластического течения материала при нестационарном термомеханическом нагружении [18, 27, 38-40, 59]
Для более точного и достоверного расчета желательно применение математической модели учитывающей сложное поведение материала, а именно нелинейное анизотропное упрочнение.
Уравнения пластического течения материала, связывающие приращения напряжений и деформаций в процессе нагружения конструкции, получим на основе соотношений теории неизотермического пластического течения с трансляционным и изотропным упрочнением. Полагаем, что тензор деформации может быть представлен в виде суммы упругой (обратимой) и пластической (необратимой) составляющих. Приращения пластических компонентов тензора деформаций являются следствием изменения нагрузки и температуры на данном этапе нагружения конструкции. Влиянием пластических деформаций на характеристики упругости материала пренебрегаем. Изменение объема полагаем упругим:
Рассматривая деформации пластического течения, полагаем, что в пространстве девиаторов напряжений существует область, в пределах которой поведение материала упругое. Границы этой области определяют с заданным допуском поверхность текучести, конфигурация и положение которой являются функционалом процесса нагружения. Начальная поверхность текучести является поверхностью Мизеса. Уравнение поверхности текучести принимаем в форме
Составляющие девиатора р определяют координаты центра поверхности текучести в пространстве девиаторов напряжений при параллельном переносе. Параллельный перенос поверхности текучести в направлении нормали к ней в точке нагружения отражает анизотропное упрочнение материала в направлении действия напряжений.
Параметры Rp и / являются функционалами процесса нагружения. Их приращения в общем случае определяются выражениями: dR, dRn dR=— de„+— dT; (2.17) р дєр р дТ dpP=gpdsP, (2.18) где єр =\dsp - накопленная пластическая деформация (параметр Одквиста); de =J-dspdsp ; (2.19) Величины , , g являются в общем случае функциями дєр ВТ р параметров єр, Т, єр, sy, ту и определяются экспериментально. Согласно постулату Друккера поверхность текучести является выпуклой, вектор приращений пластических деформаций {de}p направлен по внешней нормали к поверхности в точке нагружения. Принимая во внимание уравнение поверхности текучести (2.16), заключаем, что el=dkpai pj , (dА0) (2.20) Для определения множителя dXp рассмотрим перемещение поверхности текучести в девиаторном пространстве при активном нагружении.
Исследование скорости накопления повреждений при очередном нагружении осевым усилием и внутренним давлением
Разработанные метод и алгоритм расчета ресурса трубчатых элементов конструкций реализованы в объектно-ориентированном программном комплексе LifeCycle. Целью разработки программного комплекса являлось автоматизация расчетов на несущую способность и ресурс рассматриваемых элементов конструкций, осуществляемых на этапе проектирования и эксплуатации. Программный комплекс разработан на алгоритмическом языке Delphi, имеет модульную структуру, функционирует в операционных системах Windows 7/8/10, предоставляет пользователю удобный, интуитивно понятный графический интерфейс. Предназначен для применения в отраслевых САПР, допускает автономное использование. Программный комплекс LifeCycle позволяет: S выполнять численный анализ несущей способности и располагаемого ресурса трубчатых элементов при различных режимах нагружения; S прогнозировать долговечность изделий в условиях нестационарного силового и температурного воздействия S осуществлять компьютерный мониторинг остаточного ресурса оборудования в режиме реального времени; S определение величины накопленной деформации. 106 Выводы по главе
1. Предложенный алгоритм расчета величины накопленных повреждений и ресурса учитывает особенности сложных условий эксплуатации объекта исследований, обладает достаточной общностью для оценки аналогичных объектов в химической и смежных областях промышленности.
2. Разработанный программный комплекс LifeCycle удовлетворяет всем основным критериям качества (наличие комплекса необходимых и достаточных вычислительных процедур, простота обслуживания, удобство ввода информации, наличие графического инструментария для визуализации результатов расчета, поддержка создания отчетов, расширяемость) и позволяет выполнять инженерный анализ ресурса трубчатых элементов конструкций.
В главе описывается проведение и результаты исследования, связанного с определением влияния одновременного воздействия нескольких видов нагрузки на накопление повреждений в трубчатых элементах конструкций. В качестве образца был выбран кожухотрубчатый теплообменник.
Приведены результаты численного исследования для анализа несущей способности и располагаемого ресурса трубчатых элементов конструкций. Вычисления выполняли с использованием программного комплекса «Life Cycle». Численные исследования проводили для разных режимов работы, рассматривалось пульсирующее и знакопеременное нагружение.
Скорость накопления повреждений представлена в виде функции Q, = f(X,Y), где X - управляемые параметры, а Y - неуправляемые. Зависимости от режима нагружения управляемые и неуправляемые могут быть разными. При жестком нагружении управляемым параметром является величина деформации, а неуправляемым напряжение, при мягком нагружении наоборот.
При наличии внутреннего давления в трубчатом элементе теплообменника с незакрепленными трубными решетками возникает еще одна нагрузка - осевое усилие. Для каждого значения давления в программе вычисляется соответствующее значение осевого усилия.
С помощью программного комплекса «Life Cycle» выполнили ряд численных экспериментов по исследованию располагаемого ресурса трубчатых элементов оборудования, работающих в условиях нестационарного термомеханического воздействия. При испытаниях принимали следующие значения физико-механических характеристик конструкционного материала: модуль упругости Е = 2105; коэффициент
Опытные образцы нагружали циклически изменяющимися во времени осевым усилием P и внутренним давлением q при температуре T = 0 -300С. Исследования проводили при трех режимах нагружения (Рисунок 4.1.).
Первый режим характеризуется синхронным изменением во времени осевого усилия и внутреннего давления. При испытаниях во втором режиме трубчатый элемент сначала нагружали осевым усилием, а затем повышали внутреннее давление. В третьем режиме порядок нагружения изменяли на обратный. Во всех трех режимах осевое усилие изменяли во времени по знакопеременному циклу, внутреннее давление – по пульсирующему циклу.
Исследование скорости накопления повреждений при синхронном изменении во времени осевого усилия и внутреннего давления. На рисунке 4.2 представлены графики скорости накопления усталостных повреждений для первого режима нагружения при циклическом синхронном изменении осевого усилия и внутреннего давления для различных значений параметров kz = oaz I а и к = a" I oaz , где of и oaz - амплитудные значения кольцевых и осевых напряжений в трубчатом элементе.