Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Обзор работ, посвященных оценке напряженно-деформированного состояния неукреплённых штуцерных узлов обечаек 11
1.2. Обзор работ по оценке малоцикловой прочности сосудов 18
1.3. Анализ результатов экспериментального исследования малоцикловой прочности сосудов 27
1.4. Выводы по литературному обзору 35
Глава 2. Конечно-элементное моделирование в КК «ANSYS» упругопластического деформирования сосудов с локальными искажениями формы в неукреплённых узлах пересечения оболочек
2.1. Создание модели геометрического образа исследуемого объекта в среде КК "ANSYS" 37
2.2. Разработка процедуры расчета упругопластического деформирования штуцерного узла вереде КК «ANSYS» 45
2.3. Разработка процедуры расчета упругопластического деформирования штуцерного узла в среде КК ANSYS/LS-DYNA» 55
2.4. Выводы по главе 2 64
Глава 3. Анализ процесса упругопластического деформирования штуцерных узлов обечаек при статическом нагружении
3.1. Сравнительный анализ результатов расчетов НДС узлов сопряжения обечаек с вмятыми штуцерами при статическом нагружении 65
3.2 Упругопластическое деформирование бездефектного штуцерного узла в КК «ANSYS» 71
3.3. Анализ процесса деформирования бездефектных штуцерных узлов и узлов с вмятинами на обечайках в КК ANSYS/LS-DYNA 77
3.4. Выводы по главе 3 88
Глава 4. Анализ процесса упругопластического деформирования штуцерных узлов обечаек при малоцикловом нагружен ии
4.1. Оценка малоцикловой прочности сосудов с локальными дефектами при циклическом давлении 90
4.2. Анализ упругопластического деформирования обечаек с локальными дефектами при циклическом нагружении в КК «ANSYS» 97
4.3. Расчет малоцикловой прочности сосудов с учетом моделирования локального дефекта в КК ANSYS/LS-DYNA 104
4.4 Выводы по главе 4 112
5. Выводы по работе 114
6. Литература 116
7. Приложения 127
- Анализ результатов экспериментального исследования малоцикловой прочности сосудов
- Разработка процедуры расчета упругопластического деформирования штуцерного узла вереде КК «ANSYS»
- Упругопластическое деформирование бездефектного штуцерного узла в КК «ANSYS»
- Анализ упругопластического деформирования обечаек с локальными дефектами при циклическом нагружении в КК «ANSYS»
Введение к работе
В связи со структурной перестройкой экономики России, отсутствием средств и высокой стоимостью оборудования для химической технологии, данная отрасль вынуждена использовать существующее оборудование, отработавшее нормативный ресурс. Особая опасность такого оборудования связана с наличием в нем пожаровзрывоопасных и токсических веществ, Для безопасной эксплуатации оборудования химических производств разработана система технической диагностики и экспертного обследования, на основе которого определяется остаточный ресурс оборудования. При этом выявляются различного типа дефекты: полученные при изготовлении, монтаже, демонтаже, ремонте, а так же в процессе эксплуатации (коррозия, трещины).
Опыт эксплуатации оборудования, используемого в химической технологии, показывает, что до 40% отказов и аварий при эксплуатации этого оборудования приходится именно на соединения штуцеров с обечайками и днищами. Основными дефектами в этих местах являются коррозия, трещины и вмятины. В частности, при обследовании производства этилена ОАО «Нижнекамскнефтехим» (см. рис.2) подобный дефект был обнаружен на дефлегматоре Т-48. Данный аппарат находится в технологической схеме установки отделения стирольной фракции и служит для конденсации флегмы (этилен), выходящей с верха колонны К-14. Часть конденсата возвращается в колонну К-14 на орошение. В соответствии с технологической схемой в этом дефлегматоре обращаются легковоспламеняющиеся вещества, причем часть из них в парообразном состоянии. Поэтому авария такого аппарата будет сопровождаться выбросом большого количества продукта, взрывом, а следовательно приведет к человеческим жертвам и большим повреждениям оборудования.
Консультантом по вопросам оценки ресурса безопасной эксплуатации сосудов являлся к. т. н. Зайнуллин Р.Х. Так же при проведении технического диагностирования в период с 2001г. по 2003г. экспертами КГТУ (г.Казань) и Центра «ДиС» (г.Казань) была обнаружена потеря формы типа «вмятина» на 6 аппаратах ОАО «Нижнекамскнефтехим», 3 аппаратах АО «Казаньоргсинтез», 3 аппарата ОАО «Казанский завод СК». Среди них 2 ректификационные колонны, 7 теплообменников, 2 дозатора, одна емкость. Эти дефекты, являясь концентраторами напряжений, вызывают резкое локальное изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) сосудов и определяют их несущую способность и влияют на остаточный ресурс.
Практика эксплуатации и экспертизы технического состояния сосудов, работающих под давлением, свидетельствует, что именно по уровню напряженно-деформированного состояния узлов пересечения штуцеров с цилиндрическими обечайками обычно приходится оценивать остаточный ресурс сосуда, особенно в тех случаях, когда сосуд работает в условиях малоциклового нагружения.
Однако анализ НДС и малоцикловой прочности штуцерных узлов является достаточно сложной исследовательской проблемой даже в том случае, если в области сопряжения штуцера с обечайкой не содержится никаких дефектов.
Опыт эксплуатации сосудов и аппаратов на объектах, подконтрольных Госгортехнадзору России, свидетельствует, что в подавляющем большинстве случаев опасным концентратором напряжений в сосудах являются не утонение стенок за счет общей коррозии, а коррозионные дефекты в виде язв и питтингов, а также локальные дефекты геометрии оболочек в виде выпучин и вмятин.
Между тем в существующих нормативных материалах по расчету малоцикловой прочности сосудов и аппаратов не учтена возможность возникновения локальных дефектов в узлах сопряжения штуцеров с обечайками и днищами.
Для оценки параметров безопасной эксплуатации оборудования на объектах, подведомственных Госгортехнадзору России, необходимо располагать комплектом методических и программных документов, позволяющих анализировать НДС сосуда в местах пересечения патрубков с обечайками и днищами при наличии локальных дефектов в области их сопряжения и оценивать несущую способность сосудов с такими дефектами.
В настоящее время в силу значительной сложности аналитических решений и высокой трудоемкости численных и экспериментальных исследований вопрос о концентрации напряжений на обечайках с вмятыми штуцерами и малоцикловой прочности сосудов с такими узлами является практически неизученным. Поэтому следует признать актуальным и отвечающим потребностям промышленной практики исследование, посвященное анализу НДС сосудов с дефектами типа «вмятина» в неукреплённых узлах пересечения патрубков с цилиндрическими обечайками и позволяющее оценивать несущую способность сосудов с такими дефектами.
Цель работы. Целью работы является разработка методики, позволяющей оценивать остаточный ресурс безопасной эксплуатации аппаратов на основе малоцикловой прочности сосудов с локальными дефектами и в том числе сосудов с вмятыми патрубками на цилиндрических обечайках на базе разработанного в компьютерном комплексе (КК) "ANSYS" комплекта программ, позволяющих анализировать упругопластическое деформирование обечаек с локальными дефектами геометрии.
Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать методы расчета узлов сопряжения штуцеров с цилиндрическими обечайками, а также результаты экспериментального исследования НДС узлов пересечения бездефектных обечаек и обечаек с локальными дефектами формы.
2. Проанализировать методы оценки малоцикловой прочности сосудов в условиях мягкого и жесткого циклического нагружения.
3. Предложить электронный образ цилиндрической обечайки с вмятыми штуцерами в КК «ANSYS». Разработать программу, реализующую процедуру решения задачи упругопластического деформирования цилиндрических обечаек с вмятыми штуцерами при статическом и малоцикловом нагружении.
4. Показать, что результаты анализа упругопластического деформирования обечаек с вмятыми штуцерами, полученные с использованием КК «ANSYS», хорошо согласуются с результатами, полученными по различным пакетам МКЭ, и с данными экспериментальных наблюдений.
5. Используя результаты упругопластических расчетов, проанализировать условия деформирования сосудов и методы оценки их малоцикловой прочности.
6. Предложить метод оценки малоцикловой прочности конструкции в том случае, если сосуд имеет локальные дефекты, используя при этом возможности численного моделирования.
7. Показать, что деформации, которые появились в конструкции при образовании в ней локального дефекта, существенно снижают малоцикловую прочность сосудов и, соответственно, остаточный ресурс безопасной эксплуатации.
Научная новизна. Разработана методика оценки остаточного ресурса на основе малоцикловой прочности сосудов опасных химических производств (колонные аппараты, реакторы, теплообменники, мерники и др. емкостное оборудование) с локальными дефектами геометрии типа «вмятина» в местах пересечения штуцеров с обечайками и днищами с учетом реальной толщины и ее прогнозируемого уменьшения вследствие коррозии. Методика позволяет оценить увеличение остаточного ресурса дорогостоящего оборудования химической технологии. Для этого проводят корректировку параметров технологического процесса (температура, давление), что, как правило, приводит к изменению технологической схемы. Предложен комплект программ для определения остаточного ресурса в выше приведенных случаях.
Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный в исследовании комплект программ позволяет проводить анализ упругопластического деформирования штуцерных узлов на цилиндрических обечайках технологического оборудования, используемого в химической, нефтехимической промышленности и смежных отраслях с учетом дефектов формы и коррозии. По результатам этого анализа достигается объективная оценка малоцикловой прочности сосудов, и даются рекомендации по остаточному ресурсу и параметрам безопасной эксплуатации на объектах химии, нефтехимии и других опасных объектах. Например, для аппаратов, обследованных КГТУ и Центр ДиС (стр.4) даны следующие рекомендации: для 7 аппаратов ресурс продлен на 8 лет (ОАО «Нижнекамскнефтехим», производства этилена, стирола, изопрена; АО «Казаньоргсинтез», производство моноэтанол амина; ОАО «Казанский завод СК», производство тиокола), для 2 на 5 лет (ОАО «Нижнекамскнефтехим», производство стирола; АО «Казаньоргсинтез», производство моноэтаноламина), для 2 аппаратов рекомендовано понизить рабочее давление (ОАО «Нижнекамскнефтехим», производство изопрена; ОАО «Казанский завод СК», производство тиокола), один аппарат рекомендовано исключить из данной технологической схемы (ОАО «Нижнекамскнефтехим», производство этилена).
Реализация результатов работы. Основные научные положения и результаты исследований использованы при оценке остаточного ресурса оборудования ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «Казанский завод СК», АО «Казаньоргсинтез» и т. д.
Основные положения, вынесенные на защиту:
- комплект программ, позволяющих в компьютерном комплексе ANSYS/LS-DYNA анализировать упругопластическое деформирование штуцерных узлов на цилиндрических обечайках;
- результаты анализа характера деформирования сосудов при циклическом нагружении и методик, по которым оценивается малоцикловая прочность сосудов при нагружении их внутренним давлением;
- результаты исследования НДС вмятых штуцерных узлов на обечайках с учетом остаточных напряжений, возникающих после удара о патрубок, с учетом кинематического упрочнения материала сосуда при деформировании и без такого упрочнения;
- метод оценки несущей малоцикловой прочности сосудов с локальными дефектами геометрии.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Научной сессии КГТУ (Казань, 2000-2001) , на XIII и XIV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустика, диагностика, экология», на Всероссийской научной конференции «Тепло и массообмен в химической технологии. ТМОХТ-2000» (Казань, 2000), а также в ряде организаций, проявивших интерес к результатам работы: КГУ (г. Казань), УГНТУ (г. Уфа), ОАО «НИИХиммаш» (г. Москва) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 107 наименований, и приложений. Основная часть работы изложена на 127 страницах машинописного текста. Работа содержит 47 рисунков и 6 таблиц.
Анализ результатов экспериментального исследования малоцикловой прочности сосудов
При использовании зависимости (1.6) следует, однако, иметь виду, что некоторые материалы обладают существенно отличающимся от (1.7) соотношением а.і/ ов, и это влечет за собой значительную погрешность при выражении данных в виде (1.7). Примером таких материалов является нержавеющая сталь Х18Н9Т и низколегированная малоуглеродистая сталь 22К при нормальных и повышенных температурах .
Рассмотренные данные по малоцикловой прочности при мягком нагружении относятся к испытаниям в условиях симметричного цикла. Асимметрия напряжений оказывает существенное влияние на долговечность в связи с особенностями сопротивления материалов деформированию при наличии среднего напряжения. Так, для циклически стабильных и разупрочняющихся материалов в интервале напряжений, приводящих к квазистатическому разрушению, долговечность определяется величиной максимального напряжения цикла, а у циклически упрочняющихся материалов с усталостным типом разрушения малоцикловая прочность характеризуется амплитудными значениями напряжений.
Результаты исследований, показывают, что в упруго-пластической области нет существенной разницы между действием пульсирующего цикла и знакопеременного. Основным параметром, определяющим малоцикловую усталость, является размах деформации или условное напряжение о-й=е Поэтому при аа ат асимметрию цикла можно не учитывать.
Участок усталостной кривой с относительно большим значением N-(ua Oj) необходимо откорректировать с учетом среднего в цикле. Обычно это делается с помощью так называемой диаграммы Гудмана [81].
В результате такой корректировки расчет малоцикловой прочности ведётся по приведённой амплитуде цикла
Изменение пластической составляющей амплитуды цикла при жестком ассиметричном нагружении авторы [80] предлагают учитывать, преобразуя уравнение (1.2) в выражение вида Здесь г = ттш/атах - коэффициент асимметрии цикла, cmin и 0 - максимальное и минимальное напряжение цикла.
Для проверки и уточнения методов расчета на прочность при малоцикловом нагружении в инженерной практике проводятся испытания моделей или натурных конструкций. Основными задачами, которые решаются в таких испытаниях, являются сопоставление расчетного и экспериментального распределения деформаций и напряжений (особенно в зонах концентрации с учетом поциклового перераспределения), а также изучение условий достижения предельного состояния по разрушению.
В настоящее время накоплен некоторый экспериментальный материал по исследованию прочности при малом числе циклов нагружения натурных объектов [31,34].
Одной из первых отечественных работ в этом направлении были исследования малоцикловой усталости стальных сварных газгольдеров при пульсирующем давлении, результаты которых представлены в [99,102-103].
Многочисленные исследования прочности стальных сосудов проведены в ЦНИИТМАШе. В ходе этих испытаний на цилиндрических сосудах изучалось влияние различных концентраторов (сварного шва, кольцевого надреза, термообработки, упрочнения поверхностным наклепом) на прочность при малоцикловом нагружении [102]. Установлено, что разрушение сосудов при нагружении давлением, вызывающим появление мембранных напряжений порядка (0,9о0,2 - 1,4о0,2) сопровождается накоплением пластических деформаций в средней части обечайки. При меньшем размахе напряжений и долговечности порядка 7000 циклов квазистатический характер малоциклового разрушения сосудов изменялся на усталостный. Разрушение в этом случае наблюдалось в зоне соединения плоского днища с обечайкой.
Результаты численных и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния и несущей способности типовых элементов конструкций криогенного оборудования, изготовленных по промышленной технологии, представлены в цикле работ ОАО «Криогенмаш» [29,30,37,38,47,48].
В них рассмотрено влияние технологических отклонений формы, возникающие в процессе изготовления, транспортирования и монтажа конструкции, и предложен метод учета низкотемпературного упрочнения при оценке малоцикловой прочности элементов криогенного оборудования.
Расчеты осуществляли методом конечных элементов в геометрически и физически нелинейной постановках задачи, а экспериментальные исследования проводили на крупноразмерных плоских образцах и сварных моделях сосудов сферической и цилиндрической формы из стали 12Х18Н10Т (св = 550 МПа; от = 1,86.105 МПа; \/ = 55%). Сосуды имели типичные технологические концентраторы напряжений - сварные швы с уводом кромок, вмятины, а также специально вы фрезерованные пазы. Испытания сосудов проводили при пульсационном нагружении внутренним давлением.
Эксперименты показали, что в процессе циклического деформирования сосудов происходит перераспределение напряжений и деформаций в зонах концентрации напряжений, и после двух-трех циклов нагружения устанавливается постоянный размах деформаций.
Разработка процедуры расчета упругопластического деформирования штуцерного узла вереде КК «ANSYS»
После создания геометрической модели можно приступать к непосредственному созданию элементов и узлов для анализа НДС конструкции, но перед этим необходимо выбрать тип элемента и присвоить ему набор атрибутов.
Библиотека КК «ANSYS» обладает очень широким набором элементов, которые классифицированы по различным признакам: по типу анализа (прочностной тепловой и т.д.), по размерности задачи (2-х или 3-х мерная), особым свойствам элемента (контактные, специфические свойства материала, поверхностные), и т.д. В пределах каждого класса элементы отличаются по своим свойствам и возможностям - количеством узлов, возможностью учета нелинейных свойств материала и т.д. Так, например, для анализа нашей оболочки будут использоваться элементы типа Shell и Solid (для обол очечной и соответственно - объемной модели). В пределах класса Shell доступны следующие элементы: 1) Shell63 - для упругого анализа (4 узла); 2) Shell93 - для упругого анализа (8 узлов); 3) Shell41 - элемент, учитывающий только мембранную жесткость (для анализа «тканей»); 4) Shell28 - элемент панели (только поступательное перемещение); 5) Shelll41, Shell43 - для пластического анализа; 6) Shell 181 - для нелинейного анализа (учет пластичности материала конструкции, изменения его толщины в процессе решения), для анализа процессов с большими деформациями, сильным искажением структуры, большими градиентами напряжений. Обычно используется для сильно нелинейных анализов вместо Shell L41 и Shell43; 7) Shell91, Shell99 - для анализа слоистых структур типа «сэндвич»; 8) Shell51, ShellS3 - для осесимметричных задач. Для анализа оболочечной модели будем использовать элемент Shell 181, так как в нашем случае возникают высокие напряжения в локальных зонах, сильные искажения геометрии (образование вмятины). Кроме того, использование этого типа элемента заметно уменьшает время счета, что при прочих равных условиях является не маловажным фактором.
После выбора элемента необходимо создать набор атрибутов -присвоить этому элементу его параметры (для оболочки - это толщина), и задать свойства материала. Толщина элемента (элементов) не обязательно должна быть постоянной - она может быть заданной как функция координат, или может быть задана отдельно для каждого элемента, а в пределах одного элемента отдельно для каждого узла. Для задания линейных свойств материала необходимо указать следующие параметры: модуль Юнга, коэффициент Пуассона, плотность материала. Для задания нелинейных свойств материала в КК «ANSYS» используется модель BISO или BKIN. Это модели билинейно изотропного и кинематического упрочнения, соответственно. Их задание требует дополнительных параметров: касательного модуля Юнга и предела текучести (пластичности). Если необходимо, чтобы касательный модуль после предела пластичности был переменным, нужно воспользоваться мультилинейными моделями MKIN или MBISO. В этом случае задаются точки графика в координатх: напряжение деформация. На рисунке изображены графики ст- є для моделей BKIN (а) и MKIN (Ъ), для двух температур (Тій Т2).
Упругопластическое деформирование бездефектного штуцерного узла в КК «ANSYS»
Процедура создания КЭ модели, для этого анализа, была рассмотрена выше. Укажем характеристики модели, которая будет использоваться в численном эксперименте: i =1.2 м, 1,=2.4 м, s= si =6 мм, d =200 мм.
Материал моделей сталь 12Х18Н10Т, модуль упругости Е=1.86е5 МПа, коэфицент Пуассона v=0.3, предел текучести ат - 260 МПа, касательный модуль Юнга Ет= ).45е9 Па.
На рис. 3.1 показана картина напряженно-деформированного состояния бездефектной оболочки с врезанным неукрепленным штуцером. Оболочка нагружена внутренним давлением 0.52 МПа (номинальные напряжения (T4 0.2trr). К торцам оболочки прикладывается растягивающее усилие, имитирующее влияние крышек. Номинальные напряжения, возникающие в оболочке (здесь и далее, если нет оговорок, имеются в виду эквивалентные напряжения по Мизесу), составляют 45 МПа. В зоне врезки штуцера максимальные напряжения отмечены на внутренней поверхности обечайки и составляюті 70 МПа.
Коэффициент концентрации напряжений аа в узле сопряжения в области упругих деформаций равняется 3.77 и практически не изменяется в интервале нагрузки от 0 до 0.6 МПа, при этом коэффициент концентрации напряжений и коэффициент концентрации деформаций линейно связаны между собой. Как и следовало ожидать (рис.3.1), максимальные напряжения возникают в обечайке в зоне врезки штуцера в продольном направлении.
Теперь рассмотрим НДС этой же модели (рис.3.2), но нагруженной внутренним давлением уже в 1.3 МПа.
В этом случае у штуцера появляются пластические деформации, а зона концентрации напряжений увеличивается в размерах и в ней по - прежнему ярко выражена продольная ориентация.
На рис.3.3 представлена зависимость коэффициента концентраций напряжений и деформаций от номинальных напряжений в оболочке при таком натру жении. Как следует из рис. 3.3, с появлением пластических деформаций, происходит резкое изменение величины коэффициента концентрации напряжений и его зависимости от коэффициента концентрации деформаций: с увеличением нагрузки коэффициент концентрации напряжений начинает падать, а коэффициент концентрации деформаций, напротив, увеличиваться.
Поскольку нас в дальнейшем будет интересовать малоцикловая прочность сосудов, будем больше уделять внимание коэффициентам концентрации деформаций.
Для проверки получаемых результатов численных исследований пересекающихся оболочек они сопоставлялись с экспериментальными данными, полученными МИСИ им. Куйбышева при испытаниях цилиндрических сосудов с патрубками, [42]. При этом исследовалось влияние геометрических параметров сопрягаемых оболочек на кинетику перераспределения деформаций и напряжений при циклическом нагружении. Диаметр исследуемых обечаек составлял D =600 и 1200 мм; отношение радиуса патрубка к радиусу обечайки r/R варьировалось в интервале 0.3 -0.5.Материал оболочки ВСтЗсп, модуль упругости материала обечайки Е=1.94 е5 МПа, предел текучести от =235 МПа, предел прочности ffB=380 МПа.
В ходе эксперимента с помощью тензорезисторов замерялись деформации на наружной и внутренней поверхности обечайки. Распределение напряжений и деформаций контролировалось для четырех случаев нагружения при отношениях номинальных кольцевых напряжений к пределу текучести: ан1от 0.11; 0.33; 0.55 и 0.77.
Результаты натурных испытаний представлены на рис 3.4-3.6. Согласно данным эксперимента во всех испытанных сосудах (вне зависимости от их конструкторских особенностей) максимальные деформации и напряжения возникали в зоне примыкания патрубка, в сечении продольной симметрии при в — 0. В упругопластической стадии деформирования (при мембранных кольцевых напряжениях тн, превышающих Q.33trr ) в окрестности сопряжения наблюдалась интенсивная концентрация деформаций.
С увеличением нагрузки происходит существенное перераспределение напряжений, и протяженность пластически деформированной зоны достигает (1.0 - 1.3)г. При этом коэффициент концентраций напряжений в пластической области снижается с 2.5 3.3 до 1.3 -=- 1.5, но уровень экстремальных напряжений остается весьма значительным и составляет примерно (1.1 - - 1.2) тт.
В численном эксперименте рассматривалась модель со следующими геометрическими параметрами D = 600 мм, г = 90 мм, 5=12 мм, L = 1.2 мм. Отличие модели от конструкций, рассмотренных в 3.1, состояло в наличии отбортовки в зоне сопряжения патрубка с обечайкой.
Так же как и в эксперименте, проведенном в МИСИ им. Куйбышева, модель подвергали нагрузке, вызывающей кольцевые напряжения ок = {0.11( 0.33 77-; 0.550т-; 0.77ау}. На каждом этапе нагружения фиксировались значения кольцевых напряжений и деформаций, а также напряжения и деформации по Мизесу.
Сравнивая результаты экспериментальных и численных исследований, можно отметить хорошее их соответствие. Из их .сравнения также следует, что в области сопряжения патрубка с обечайкой отмечается четко выраженная зона пластических деформаций, которая локализуется при средних нагрузках (О.ЗЗог) и увеличивается при высоких (0.77(тт).
Анализ упругопластического деформирования обечаек с локальными дефектами при циклическом нагружении в КК «ANSYS»
Исследование НДС цилиндрических обечаек с локальными дефектами в штуцерных узлах при пластическом деформировании актуально, главным образом, в тех случаях, когда сосуд работает в условиях малоциклового нагружения.
При этом полезно сравнить результаты численного анализа упругопластического деформирования обечаек с локальными дефектами при циклическом нагружении, полученные в КК «ANSYS» с данными экспериментальных наблюдений.
Опубликованные в работах [37,38] результаты экспериментального исследования упругопластического деформирования цилиндрических обечаек с вмятинами показывают, что при пластическом деформировании изменение локальных дефектов (увода кромок сварного шва и глубины вмятин) носит необратимый характер: начиная со второго - третьего цикла нагружений, в зоне вмятины устанавливается постоянный размах деформаций, что позволяет, по мнению авторов, при оценке циклической прочности сосудов с вмятинами ограничиться расчетом в упругой области, но при этом учитывать необратимое изменение локального дефекта при исходных (одном или двух) нагружениях.
Результаты упомянутых выше экспериментальных исследований могут быть сопоставлены с данными численных расчетов по используемой в настоящем исследовании программе нелинейного анализа конструкций в КК "ANSYS".
При реализации метода Ньютона-Рафсона использовалась опция полной процедуры метода с обновлением матрицы жесткости на каждой равновесной итерации. При оценке уровня накопленных в процессе упругопластического деформирования деформаций, последним шагом исследования являлась разгрузка конструкции. Это и позволяет получить поле остаточных напряжений и деформаций, по которым может оцениваться циклическая прочность сосуда.
При сопоставлении результатов численных и экспериментальных исследований в настоящей работе приведены данные расчетов цилиндрических обечаек с круговыми в плане вмятинами из стали марки 12Х18Н10Т (модуль упругости материала обечайки =1.86 105 МПа, коэффициент Пуассона у =0.3, о? — 280 МПа, сгв=540 МПа). Размеры обечайки и вмятин, а также параметры нагружения принимались такими же, как в экспериментальном исследовании, описанным в работе [70].
В ходе численных исследований кривая деформирования материала обечайки аппроксимировалась мультилинейной функцией согласно [28,89]. Вид кривой деформирования представлен на рисунке 4.3.
Рассматривались круглые в плане вмятины. Характер изменения глубины вмятины вдоль ее текущего радиуса аппроксимировали уравнением вида: где/-текущее значение глубины вмятины.
Расчет проводился для обечайки следующих геометрических параметров: радиус обечайки R =125 мм, толщина стенки обечайки s=1.25 мм, длина обечайки /=500 мм, радиус вмятины ге=30 мм, характер изменения глубины вмятины вдоль ее текущего радиуса г определялся уравнением (1.7)
Начальная глубина вмятины Уе принималась равной 6.4 мм и 4.7 мм, максимальное внутреннее давление р равнялось 7.2 МПа и 3.6 МПа, соответственно.
Торцы цилиндрической обечайки шарнирно закреплялись. Оболочка ступенчато нагружалась внутренним давлением до максимального значения,
На рис. 4,4 сравнивается изменения глубины вмятины в процессе нагружения и разгрузки с результатами, приведенными в [21]. Нагрузка прикладывалась по шагам, величина которых отмечена на рисунке маркерами. Как следует из рис. 3.5, результаты упруго пластических расчетов в КК «ANSYS» хорошо согласуются с данными экспериментальных наблюдений. На рис. 4.5 и 4.6 представлены картины распределения эквивалентных напряжений в зоне вмятины на третьем шаге нагружения.
На рис. 4.7. представлена картина распределения эквивалентных напряжений во вмятом штуцерном узле при внутреннем давлении р =3.5 МПа на 5 шаге нагружения цилиндрической оболочки, но уже с вмятиной в узле сопряжения её со штуцером. Внутрений диаметр оболочки D 1200 мм, толщина стенки S=8MM, наружный диаметр штуцера d =200, толщина стенки штуцера 5;=8мм, длина обечайки =2400 мм, длина патрубка /=200 мм, радиус вмятины гв= 150 мм. Начальная глубина вмятины fe принималась равной 20 мм, характер изменения глубины вмятины вдоль ее текущего радиуса г определялся уравнением (3.6).
