Введение к работе
- з -
Актуальность темы. Многие современные отрасли промышленности испытывают большие потребности в низкокипящих сжиженных газах, которые при перевозке по железным дорогам относятся к категории особо опасных грузов. Цистерны для перевозки криогенных продуктов должны удовлетворять требованиям безопасной эксплуатации на сети железных дорог. Постоянно ужесточающиеся условия работы цистерн, тяжкие последствия известных аварий заставляют конструкторов уделять повышенное внимание поведению вагона в различных аварийных ситуациях, разрабатывать способы защиты.
В комплексе проблем, связанных с безопасностью цистерн для опасных грузов, одной из наиболее важных является предотвращение аварийных повреждений котлов как объектов, непосредственно содержащих опасные грузы. Повреждение (разрушение) котла с опасным грузом почти с неизбежностью приводит к таким последствиям, как разгерметизация, пролив продукта или взрыв.
Таким образом, существует крупная научная проблема, имеющая народно-хозяйственное значение и связанная с обеспечением безопасности перевозочного процесса на железных дорогах, сохрашюсти перевозимых грузов, а также экологической безопасности.
Цель и задачи работы. Главной целью настоящей диссертационной работы является решение научной проблемы, заключающейся в разработке моделей поведения котлов железнодорожных цистерн для опасных грузов в различных эксплуатационных режимах, в том числе, в аварийных ситуациях, и выборе средств анализа этих моделей. Результаты работы должны обеспечивать снижение риска возникновения повреждений в нормальной
- І -
эксплуатации цистерн или уменьшение тяжести последствий аварийных ситуаций при перевозке по железным дорогам опасных грузов.
Объектом исследований в настоящей работе является котел цистерны для криогешшх продуктов. Котел в процессе эксплуатации подвергается различным воздействиям, штатным и нештатным, которые могут привести к повреждениям. По математической формулировке эти режимы распределились в четыре основных задачи, получивших решение в представленной работе. Во-первых, моделирование различных штатных статических и динамических воздействий от перевозимого груза и узлов крепления котла. Напряженно-деформированное состояние (НДС) от этих воздействий позволяет оценивать возможность повреждения котла исходя из условий прочности или устойчивости, устанавливаемых нормативной документацией.
Во-вторых, моделирование тепловых воздействий на котел. Штатным режимом для криогенных цистерн является заполнение котла сжиженным газом при криогенной температуре, а нештатным - аварийное действие открытого пламени при пожаре. Решена задача определения температурного поля при соответствующих характеристиках режимов. Температурные поля влияют на напряженно-деформированное состояние котла как непосредственно, так и через изменение упругих свойств материала.
В-третьих, к штатным режимам относятся продольные колебания цистерны. При этом необходимо учитывать различные типы поглощающих аппаратов вагонов, а также колебания жидкого продукта при неполном наливе и возможность гидроудара. Решается задача, связанная с получением усилий в элементах цистерны (с последующим определением НДС котла).
В-четвертых, возможно аварийное ударное воздействие на котел чужеродного тела, например, автосцепки соседнего вагона. Здесь задача состоит в оценке условий, при которых возможен пробой оболочки.
Общая методика исследований. Решение поставленных задач базируется на моментной теории оболочек, теории тонкостенных упругих стержней, теории теплопроводности, теории мелкой воды. Разрабатываемые алгоритмы строились с применением численных методов: вариационных методов, включая метод конечных элементов, метода характеристик, методов численного интегрирования систем дифференциальных уравнений.
Достоверность каждой разработанной методики оценивалась путем проведения экспериментальных или теоретических исследований. В частности, для проверки методики определения температурного поля бьши проведены специальные опыты по заполнению резервуара жидким азотом. Методика исследования пробоя тестировалась путем проведения опытов по пробою круглых пластин на специальной созданной установке типа "копер". Остальные методики проверялись путем сопоставления результатов расчета тестовых вариантов с дашшми, полученными другими авторами в различных областях машиностроения.
Научная новизна работы. Разработаны средства для расчетного исследования причин повреждений в котлах цистерн для перевозки криогенных продуктов при отдельных режимах воздействий и их комбинациях.
Предложена методика для моделирования статической и динамической нагружен носги котла цистерны от различных эксплуатационных воздействий, включая ударные и температурные. Методика базируется па моментной теории оболочек, вариационном принципе Гамильтона и методе конечных элементов. Основной тип элемента - конический отсек оболочки. Для интегрирования по времени использован метод разложения по собственным формам. В рамках принятой расчетной схемы разработаны способы учета эллиптической формы днищ, подкрепляющих шпангоутов, попе-
речных перегородок. Учитываются особенности совместного действия локальных нагрузок и внутреннего давления.
Предложен способ определения НДС от действия внутреннего давления в условиях локального повышения температуры и изменения механических свойств материала, (например, при пожаре).
Разработана методика определения нестационарного температурного поля котла при действии открытого пламени и в процессе "захолажива-ния". При интегрировании уравнения теплопроводности применен вариационный метод и метод конечных элементов. Выбраны треугольные элементы с линейной аппроксимацией температуры. Интегрирование по времени производится методом Адамса.
Предложена методика моделирования маневрового соударения цистерны для перевозки опасных грузов. Учитываются оборудование вагонов поглощающими аппаратами различных типов, а также колебания перевозимого жидкого продукта при неполном наливе. Вагон агшросюшируется системой точечных масс; разрешающая система дифференциальных уравнений движения интегрируется методом Рунге-Кутга.
Предложена математическая модель колеблющейся жидкости при неполном наливе, базирующаяся на теории мелкой воды и методе характеристик. При интегрировании применена разностная схема.
Предложен способ моделирования процесса внедрения чужеродного тела в оболочку до ее разрушения. Вмятина от ударника аппроксимируется пирамидой с пластическими шарнирами в ребрах. Предельное состояние рассматривается по типу среза. Критическая скорость удара вычисляется через значение энергии образования вмятины до предельного состояния.
Основные компоненты разработанных методик получены в явном виде, что делает методики эффективными при практической реализации.
_ 7 -
Практическая ценность разработок. Предложенные средства расчета реализованы в виде пакета программ для персональных ЭВМ. Они предназначены для исследования возможных причин повреждений котлов цистерн для перевозки опасных грузов. Разработанные алгоритмы могут использоваться: а) при проектировании цистерн для выбора их параметров; б) для экспертной оценки существующего парка цистерн, а также предлагаемых технических решений; в) для расчетного выяснешм причин реальных аварийных ситуаций; г) при разработке способов защиты котла в аварийных ситуациях. Применение разработанных методик позволяет снизить затраты на проведение натурных испытаний цистерн.
Методики приведены в форме, доступной для освоения инженерами-конструкторами, занимающимися проектированием цистерн для опасных грузов. Реализация методик возможна практически на любых ЭВМ, которые имеются в вагоностроительных и проектных организациях.
С помощью предложешіьгх методик рассмотрены возможные аварийные ситуации. Показана работоспособность методик для исследования различных режимов внешних воздействий, в том числе комбинированных.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в НІЖ Криогенного машиностроения (УКБМ) при проектировании универсальной цистерны для перевозки кислорода, азота, аргона, цистерн для сжиженного природного газа, для жидкой двуокиси углерода, а также при модернизации существующих цистерн для водорода, кислорода, этилена и других сжиженных газов.
Разработанные алгоритмы и программы практически используются в НІЖ Криогенного магдиностроения и в вагонном отделении ВНИИЖТа.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции в Днепропетровске (1992 г.), на П международной конференции "Актуальные проблемы развития ж.-д. граиспорга" в Москве (1996 г.), на международной конференции "Ресурсосберегающие технологии на ж.-д. транспорте" в Москве (1999 г.).
Работа рассматривалась на научно-техническом совете Уральского научно-производственного комплекса криогенного машиностроения, на научно-техническом совете Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта и на заседашш кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" МИИТа.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 17 работ общим объемом 16,9 печатных листов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников и шести приложений. Материал диссертации шложен на2б2с. машинописного текста, содержит 20 таблиц, і 14рисунков. Библиографический список содержит І57 наименований.
Похожие диссертации на Разработка и анализ моделей повреждающих воздействий на котлы цистерн для перевозки криогенных продуктов
