Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. Анализ и обоснование расчетных схем, математических
моделей и методов расчета тонкостенных конструкций
специальных машин для строительства и ремонта неф
тегазовых объектов 16
1.1. Анализ и классификация конструкций специальных машин
на воздушной подушке (СМВП) 16
1.2. Выбор и обоснование расчетных схем и математических мо-
делей несущих конструкций СМВП 28
Разработка концепции расчета на прочность корпусов специальных машин 30
Обзор научно-технической литературы. Постановка задач исследований 31
Глава 2. Исследование изгиба и кручения тонкостенных конст
рукций корпусов специальных машин на воздушной по
душке 45
Анализ и разработка расчетной схемы при изгибе и кручении корпуса СМВП 45
Нормальные напряжения при изгибе тонкостенных конструкций СМВП 48
Касательные напряжения при изгибе тонкостенных конструкций СМВП открытого профиля 50
Разработка методики определения касательных напряжений при изгибе и кручении корпусов СМВП замкнутого профиля 51
Разработка алгоритма расчета корпусов с открытыми и замкнутыми сечениями при наличии продольных поясов 54
Разработка методики и программы расчета корпусов СМВП
с учетом потери устойчивости пластинами обшивки 60
Выводы по главе 68
Глава 3. Исследование напряженно-деформированного состояния
элементов конструкций корпусов специальных машин
на воздушной подушке 69
3.1.
Выбор, обоснование расчетных схем и разработка методики
расчета стрингеров
Разработка расчетных схем шпангоутных рам 74
Расчет шпангоутных рам корпусов СМВП методом сил 75
Выводы по главе ,, 80
Глава 4. Разработка методов расчета пластин и пластинчатых
систем корпусов специальных машин на воздушной по
душке , 81
Анализ математических моделей пластин корпуса 81
Граничные условия на контуре пластин 83
Разработка метода расчёта пластин корпуса, основанного на решении вариационных уравнений Власова-Канторовича
в высших приближениях 84
Построение общего решения вариационных уравнений с использованием функций влияния краевых усилий и перемещений 90
Разработка алгоритма вычисления функций влияния путем численного интегрирования однородных вариационных уравнений 96
Разработка методики вычисления функций влияния с использованием аналитических методов интегрирования однородных дифференциальных уравнений 106
Методика расчета пластин корпуса на действие распределенных нагрузок с применением функций влияния 120
Расчёт напряжений при изгибе пластин 128
Разработка метода расчета пластинчатых систем корпуса с особенностями в одном направлении 129
4.9.1. Методика расчета пластин от действия нагрузки строитель
ной машины, распределённой на части поверхности плат
формы 139
4.9.2 Методика расчета пластин несущего корпуса на сосредото
ченные воздействия 143
4.10 Разработка метода сил для расчета перфорированных пла
стин 149
Выводы по главе 165
Глава 5 Разработка методики оценки прочности корпуса с уче
том взаимодействия его элементов 167
5.1. Анализ напряженного состояния и оценка прочности корпу
са от воздействия перевозимых механизмов 167
5.2. Экспериментальное определение напряжений в элементах
корпуса специальных машин, используемых для транспор
тировки строительных механизмов 172
Выводы по главе 179
4 Глава 6. Разработка теоретических основ и методов расчета со
ставных конструкций специальных машин для строи
тельства и ремонта нефтегазовых объектов 180
6 Л. Корректировка методики по интегрированию обыкновенных
дифференциальных уравнений, содержащих в правой части
дельта-функцию и ее производные 180
Разработка методики расчета составных корпусов транспортных машин с упругими шарнирами 184
Разработка методики расчета составных корпусов с упруго-податливыми связями сдвига 187
''* 6.4. Обобщение метода начальных параметров на расчет состав
ного корпуса с упругоподатливыми связями общего вида 190
Расчёт корпуса платформы на воздушной подушке в модульном исполнении при транспортировке технологического оборудования 191
Разработка метода расчета составных пластин несущих конструкций специальных машин на воздушной подушке 196
6.6.1. Интегрирование дифференциального уравнения изогнутой
поверхности прямоугольной пластины, два противополож
ных края которой свободно оперты 196
і 6.6.2. Разработка методики расчета составных пластин с упругими
j шарнирами , 199
'0 6.6.3. Исследование изгиба составной пластины с упругим шарни
ром корпуса платформы на воздушной подушке..... 203
Разработка методики расчета пластин с упругоподатливыми связями сдвига 1.1. 210
Разработка метода расчета составных пластин с упругоподатливыми связями общего вида 216
Исследование сложного изгиба составных пластин с упругими шарнирами 220
Выводы по главе 225
Глава 7. Разработка программы для исследования напряженно-
деформированного состояния конструкций машин на
воздушной подушке методом конечных элементов 227
Анализ конструкции корпуса подъемно-транспортного комплекса ПТК-600 229
Обоснование расчетной схемы тонкостенной конструкции корпуса ПТК-600 в виде пластины переменной толщины 230
Разработка методики определения приведенной толщины пластины при расчете корпуса ПТК-600 232
Расчет и оценка прочности корпуса ПТК-600 при транспортировании суперблока 234
Расчёт и анализ напряжённо-деформированного состояния тонкостенных конструкций расширителей специальных машин 252
Разработка методики расчёта соединительных элементов машин на воздушной подушке в модульном исполнении 258
Выводы по главе 265
Основные выводы 266
Список литературы 268
я 286
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Освоение северных нефтяных и газовых месторождений Тюменской области связано с транспортировкой сотен тысяч тонн грузов различного назначения, достигающих единичной массы -200, 300, 1000 тонн.
Внедрение комплектно-блочного метода сооружения и ремонта нефтегазовых объектов определило создание нового вида транспорта - специальных машин на воздушной подушке (СМВП) грузоподъёмностью от 20 до 1000 тонн.
Они нашли широкое применение при: сооружении промплощадок; резервуаров; перевозке оборудования насосных и компрессорных станций и суперблоков; прокладке траншей; строительстве и ремонте трубопроводов. Общая протяжённость газо- и нефтепроводов Западной Сибири составляет более 45 тыс. км, 50% которых проходит по болотам различного типа, в том числе 15% трубопроводов - по болотам третьего типа. Для трубопроводов, эксплуатирующихся длительное время, характерна большая линейная протяжённость фронта ремонтных работ, выполняемых в сложных природных условиях. Отдельные участки трубопроводов недоступны даже для высоко проходимого наземного транспорта, строительство же временных подъездных путей к ним сопряжено со значительной затратой средств, сил и времени. Применение СМВП в этих случаях эффективно и позволяет решить задачу транспортировки людей, оборудования, материалов по мелководным рекам, отмелям, болотам и суше в любую точку трассы. При движении по суше они не разрушают поверхностный слой почвы, что имеет большое значение для сохранения экологического равновесия территорий тундры и районов Крайнего Севера,
Машины на воздушной подушке довольно энергоёмки, поэтому снижение веса и стоимости несущих конструкций, повышение надёжности и долговечности является важнейшей задачей проектирования и расчёта на прочность.
Тонкостенные конструкции СМВП различной грузоподъёмности и назначения весьма разнообразны. Они включают тонкостенные стержни, однородные, гофрированные пластины и пластинчато-стержневые системы. Корпуса СМВП выполняются как цельносварными, так и составными. Условия эксплуатации, режимы движения и опирання весьма разнообразны, что требует научного обоснования расчётных схем, математических моделей и методов прочностного расчёта.
Составные конструкции СМВП имеют ту отличительную особенность, что стыковые соединения отдельных элементов (стержней, пластин, тонкостенных пространственных модулей) являются упругоподатливыми. Их жесткости на изгиб и сдвиг отличаются от жёсткостных параметров элементов, составляющих конструкцию.
Расчёт тонкостенных конструкций СМВП с учётом податливости стыковых соединений, несмотря на определённые достижения в исследовании напряжённо-деформированного состояния (НДС) составных стержней, пластин и оболочек, представляет слабо изученную, требующую дальнейшей разработки задачу.
Таким образом, расчёт тонкостенных конструкций СМВП с абсолютно жёсткими и упругоподатливыми соединительными связями является довольно сложной проблемой. Поэтому поиск, разработка, обоснование новых расчётных методов и приёмов, внедрение их в практику создания лёгких и прочных конструкций СМВП для строительства и ремонта нефтегазовых объектов представляет актуальную задачу.
Целью диссертации является разработка теоретических основ и эффективных методов расчёта на прочность тонкостенных конструкций специальных машин на воздушной подушке для строительства и ремонта нефтегазовых объектов.
Объектом исследования является разработка методов расчёта на прочность тонкостенных конструкций специальных машин для строительства и ремонта нефтегазовых объектов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана концепция прочностного расчёта конструкций нового класса наземных транспортных средств - специальных машин на воздушной подушке, в основе которой лежит дифференцированный подход к назначению коэффициентов запаса прочности для штатных и внештатных режимов работы СМВП;
разработана методика определения нормальных напряжений при изгибе корпусов СМВП с учётом возможной потери устойчивости пластинами обшивки при нестандартных случаях нагружения;
разработан метод расчёта пластин и пластинчатых систем конструкций СМВП, основанный на синтезе вариационного метода В.З. Власова-Л.В. Канторовича и метода перемещений;
впервые разработан метод сил для расчёта перфорированных пластин в сочетании с вариационным методом В.З. Власова-Л.В. Канторовича;
впервые разработаны теоретические основы и метод расчёта составных конструкций СМВП с учётом податливости упругих соединений;
для реализации метода составлены дифференциальные уравнения, содержащие в правой части производные дельта-функции, и уточнена методика их интегрирования;
получены аналитические выражения разрешающих функций прогибов для составных конструкций СМВП с учётом податливости упругих соединений, количество произвольных постоянных в которых равно порядку исходного дифференциального уравнения и не зависит от числа упругих соединений;
впервые метод начальных параметров обобщён на расчет составных корпусов СМВП с учётом податливости упругих соединений;
получены новые результаты расчёта составных конструкций СМВП и выполнен анализ влияния податливости упругих соединений на НДС корпусов и пластин специальных машин на воздушной подушке;
разработана программа для расчёта тонкостенных конструкций методом конечных элементов (МКЭ), основанном на применении пологих конечных элементов и метода двойной аппроксимации;
впервые по разработанной программе выполнены расчёты и дан анализ НДС сложной тонкостенной пространственной конструкции подъёмно-транспортного комплекса грузоподъёмностью 600 тонн, пластинчато-стержневой конструкции расширителя и соединительных элементов СМВП в модульном исполнении.
Совокупность выполненных в диссертации исследований квалифицируется как теоретическое обобщение и решение новой крупной научно-практической проблемы, которая заключается в развитии теории и разработке эффективных методов расчёта на прочность многофункциональных конструкций, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие нефтегазовой отрасли.
Достоверность основных научных положений, результатов и выводов подтверждена сопоставлением численных результатов расчёта конкретных задач, решённых различными методами, в том числе с результатами известных авторов, совпадением результатов расчёта с использованием различных математических моделей, сравнением полученных решений составных конструкций СМВП с результатами независимо выполненных расчетов тестовых задач, являющихся предельными по отношению к рассматриваемым задачам, путём практического исследования сходимости полученных решений для пластин и пластинчатых систем при удержании в исходных разложениях различного числа членов ряда, сравнением с результатами экспериментальных исследований промышленных образцов и многолетним опытом безаварийной эксплуатации СМВП.
Практическую ценность составляют: разработанные методы и программы расчёта конструкций СМВП; методики решения новых задач изгиба однородных, гофрированных пластин, пластинчато-стержневых систем и составных конструкций с упругоподатливыми связями; аналитические выражения для расчёта составных корпусов и пластин с упругими соединениями различного типа; выводы о влиянии податливости упругих соединений на НДС составных конструкций СМВП и предложения по оптимальному выбору жестко-стей соединительных связей; оценки точности численных методов в задачах изгиба пластин; рекомендации по обеспечению прочности ряда оригинальных конструкций СМВП.
Внедрение результатов. Разработанные методы, результаты расчётов и исследований, программы для ЭВМ использованы в Западно-Сибирском филиале ВНИИнефтемаша (г.Тюмень), в СКВ «Трубопроводтрансмаш» объединения «Сибкомплектмонтаж» (г.Тюмень) при проектировании всего типового ряда из шестнадцати специальных машин на воздушной подушке различного назначения грузоподъёмностью от 20 до 400 тонн, суперблока полной заводской готовности из газопромыслового оборудования БП-1000 массой 1000 тонн, подъёмно-транспортного комплекса ПТК-600 и тонкостенных пластинчато-стержневых конструкций устройств на воздушной подушке УВП-300, УВП-400, УВП-1000, предназначенных для транспортировки суперблоков массой 300, 400, 600 и 1000 тонн.
Суммарный учтённый экономический эффект составил 2090 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).
На защиту выносятся: - концепция расчёта на прочность корпусов СМВП, основанная на раздельном определении напряжений от общего и местного изгиба элементов корпуса с последующим суммированием получаемых величин напряжений и дифференцированном назначении коэффициентов запаса прочности в зависимости от режимов эксплуатации СМВП;
методика расчёта элементов, подкрепляющих обшивку корпуса;
методы и алгоритмы расчёта пластин и пластинчатых систем конструкций СМВП, основанные на синтезе вариационного метода В.З. Власова-Л.В. Канторовича и методов строительной механики;
математические модели изгиба составных пластин и корпусов СМВП в модульном исполнении с учётом податливости упругих связей;
методика интегрирования дифференциальных уравнений с особенностями импульсного вида;
алгоритмы и результаты расчёта реальных конструкций СМВП в модульном исполнении и составных пластин с упругоподатливыми связями;
математическая модель тонкостенной пространственной конструкции подъёмно-транспортного комплекса ПТК-600;
результаты расчёта и анализа НДС корпуса ПТК-600, рекомендации по обеспечению его прочности;
математические модели и оценки НДС пластинчато-стержневой конструкции расширителя и соединительных элементов СМВП в модульном исполнении.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований автора докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: III Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (г. Москва, 1968г.); Всесоюзной научно-практической конференции «Применение новых видов транспорта в народном хозяйстве и перспективы их развития» (г. Тюмень, 1978г.); VII межотраслевой научно-технической конференции по проблемам ускоренного развития Западно-Сибирского нефтегазового комплекса (г. Надым, 1981 г.); Всесоюзном семинаре-совещании молодых учёных и специалистов Миннефтегазстроя по проблеме «Создание и внедрение транспортных систем на новых технологических принципах» (г. Москва, 1982г.); второй Всесоюзной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири (г. Тюмень, 1989г.); Всесоюзной научно-практической конференции «Про-
гресс и безопасность» (г. Тюмень, 1990г.); межгосударственной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири. Проблемы добычи и транспортировки» (г. Тюмень, 1993г.); международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 1996г.); Всероссийской научно-практической конференции «Тюменская нефть - вчера и сегодня» (г. Тюмень, 1997г.); на НТС ОАО «ЗапСибгазпром» (г. Тюмень, 1998г.); международной научно-практической конференции «Проблемы адаптации техники к суровым условиям» (г. Тюмень, 1999г.); на Научно-техническом Совете ОАО «Стройтрансгаз» (г. Небуг, 2000 г.; г. Екатеринбург, 2001 г.); международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (г. Тюмень, 2001г.); на научных семинарах кафедры строительной механики Тюменской государственной архитектурно-строительной академии (2003г.); кафедры теоретической и прикладной механики Тюменского государственного нефтегазового университета (1996 - 2003 г.г.); кафедры строительной механики Уральского государственного технического университета (2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 2 монографии.
Объём и структура работы. Работа состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и девяти приложений. Диссертация содержит 285 страниц машинописного текста, включая 106 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 201 наименования.
Основное содержание диссертации.
Во введении доказана целесообразность и эффективность применения специальных машин на воздушной подушке грузоподъёмностью 20 — 1000 тонн при строительстве и ремонте нефтегазовых объектов. На основе анализа разнообразных тонкостенных конструкций СМВП, условий их эксплуатации обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, её
научная новизна и практическая ценность. Кратко излагаются основные научные положения, выносимые на защиту, и содержание по главам.
В первой главе даны анализ и классификация конструкций специальных машин и навесных устройств на воздушной подушке для транспортировки грузов, оборудования и суперблоков массой до 1000 тонн при строительстве и ремонте нефтегазовых объектов. Обоснованы для них расчетные схемы. Сформулирована концепция расчета на прочность корпусов СМВП. Приведены основные сведения о численных и аналитических методах расчета тонкостенных стержней, пластин и многократно статически неопределимых систем перекрестных связей, подкрепляющих тонкую обшивку корпуса.
Выполнен анализ методов расчета составных стержней, пластин и оболочек. Рассмотрены вопросы применения дельта-функции для расчета составных конструкций.
Во второй главе выполнено исследование изгиба и кручения корпусов специальных машин на воздушной подушке, рассматриваемых как тонкостенные стержни замкнутого профиля. Проанализированы разнообразные варианты на-гружения и опирання корпуса, характерные для всех типов СМВП. Предложен дифференцированный подход к назначению коэффициентов запаса прочности в зависимости от условий опирання корпуса.
Разработана методика определения нормальных напряжений при изгибе тонкостенных корпусов СМВП с учетом возможной потери устойчивости сжатыми пластинами обшивки. Достоверность методики подтверждена результатами натурных испытаний платформы ПВП-40.1 грузоподъёмностью 40 тонн. Разработана методика определения касательных напряжений. Выполнено исследование изгиба и кручения корпуса платформы ПВП-60 грузоподъёмностьюбО т.
Третья глава посвящена исследованию НДС элементов, подкрепляющих обшивку корпуса. Задача расчёта стрингеров и шпангоутных рам с учётом их совместной работы как пространственной стержневой системы является многократно статически неопределимой. В результате анализа соотношений раз-
меров, жёсткостей стрингеров и шпангоутных рам для корпусов всех конструкций СМВП доказано, что их расчёт можно выполнять раздельно: расчет стрингеров корпусов СМВП с помощью теоремы о трёх моментах, шпангоутных рам - методом сил. Выполнен расчёт статически неопределимых стрингеров и шпангоутных рам для конкретных конструкций СМВП.
В четвёртой главе разработаны методы расчёта пластин и пластинчатых систем корпусов СМВП, основанные на синтезе вариационного метода В.З. Власова - Л.В. Канторовича в высших приближениях и методов строительной механики. Решение системы вариационных уравнений В.З. Власова - Л.В. Канторовича впервые построено с использованием функций влияния краевых усилий и перемещений. Разработана методика вычисления функций влияния. Приведены результаты расчёта пластин корпусов СМВП. Дана оценка точности полученных решений.
Расчёт пластинчатых систем имеющих ряд особенностей в направлении одной из осей, выполнен методом перемещений. Получена система канонических уравнений, коэффициенты которых определяются с использованием функций влияния краевых перемещений. Впервые для расчёта перфорированных пластин разработан метод сил. Формулы для вычисления коэффициентов канонических уравнений содержат значения функций влияния краевых усилий и специальные коэффициенты переноса обобщённого прогиба и угла поворота.
Показана эффективность разработанных методов при расчете сложных пластинчатых систем корпусов СМВП.
В пятой главе разработана методика оценки прочности корпусов СМВП в целом, с учётом взаимодействия его элементов. Для оценки прочности используется энергетическая теория. Приведены результаты исследования напряжённо-деформированного состояния корпуса платформы ПВП20ДІМ грузоподъёмностью 25 т. Проведено экспериментальное исследование напряжённого состояния корпуса промышленного образца платформы ПВП20ДІМ. Выполнено сопоставление расчётных и опытных значений напряжений: во всех
случаях результаты расчёта хорошо согласуются с опытом. Сделан вывод, что разработанные методы расчёта обладают достаточной для целей практики точностью и сравнительно малой трудоёмкостью.
В шестой главе разработаны теоретические основы и методы расчёта составных конструкций СМВП, отдельные элементы которых соединены упруго-податливыми связями изгиба и сдвига. Получены разрешающие дифференциальные уравнения, содержащие в правой части параметры упругого соединения и производные дельта-функции. Решения для составных корпусов и пластин с упругоподатливыми связями представлены в замкнутом аналитическом виде. Решен ряд новых практически важных задач. Дан анализ влияния упругой податливости стыковых соединений на напряженно-деформированное состояние корпусов и пластин СМВП. Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением с результатами расчета тестовых задач, являющихся предельными для рассматриваемых конструкций. Показана эффективность разработанных методов при расчете различных составных конструкций СМВП.
В седьмой главе выполнены исследования НДС тонкостенных конструкций СМВП с использованием метода конечных элементов. Разработана программа для реализации на ЭВМ варианта метода конечных элементов, основанного на применении пологих конечных элементов и способа двойной аппроксимации.
Обоснован выбор расчётной схемы тонкостенной пространственной конструкции подъёмно-транспортного комплекса ПТК-600 грузоподъемностью 600 тонн в виде пластины ступенчато переменной толщины. Выполнен расчёт на прочность с использованием разработанной программы. Дан анализ напряжённо-деформированного состояния корпуса, выявлены зоны концентрации напряжений, дана оценка прочности конструкции ПТК и предложен способ её обеспечения.
Выполнен расчёт пластинчато-стержневой конструкции расширителя.
Проведено исследование напряжённо-деформированного состояния соединительного элемента СМВП в модульном исполнении. Обоснованы разме- ры соединительного элемента, что позволило разработать оптимальную конструкцию упругого соединения.
