Введение к работе
Среди наиболее ответственных и дорогостоящих конструкций энергетического, химического, транспортного л авиакосмического машиностроения значительное место принадлежит вакуумным камерам, представляющим собой крупногабаритные составные оболочки вращения, подкрепленные набором шпангоутов и соединенные с основанием стержневой опорной конструкцией.
Высокая стоимость' и уникальность вакуумных камер, как и весьма сложные услопия их работы, предъявляют повышенные требования к качеству их проектирования и, в первую очередь, их прочностного анализа.
Ветровые воздействия, обусловленные невозможностью возведения дополнительных ограждающих конструкций, как и вибрации близкорасположенного оборудования приводят к значительным динамическим нагрузкам на вакуумные камеры. В то же время исследования по динамике таких конструкций практически отсутствуют.
Этим обусловлена актуальность рассматриваемой в диссертации проблемы виброанализа вакуумных камер с практической точки зрения. Кроме того, вакуумным камерам конструктивно аналогичны многие другие конструкции, в первую очередь, ректификационные колонны, башни охлаждения и другие аппараты химического-машиностроення.
С собственно научной точки зрения эта проблема актуальна как вследствие того, что экспериментальное исследование вакуумных камер и подобных конструкций в натурном эксперименте практически исключено вследствие его чрезвычайно высокой стоимости, с одной стороны, и уникальностью каждой камеры, с другой; а, моделирование вакуумных камер затруднено практической невозможностью последовательного соблюдения подобия модели и натуры; так и того, что существующие методики расчетно-теоретического исследования оребренных оболочечных систем со сложными опорными подконструкциями либо не обеспечивают необходимый уровень точности, либо требуют нереальных затрат ресурсов ЭВМ.
.Целью диссертационной работы является разработка эффективных методик динамического расчета сложнооперты* оребренных составных оболочек вращения и создание на их основе прикладного программного комплекса, ориентиронанного на применение * персональных компьютеров типа AT 286/287. .
При этом решаются следующие задачи :
-
Обоснование допустимости представления составной оболочки, оребренной шпангоутами различной жесткости, включая весьма жесткие опорные кольца, и опирающейся на пространственную стержневую лодконструкцию, в виде совокупности связанных подсистем и, таким образом, выбор и обоснование расчетной схемы.
-
Обоснование применимости лолуаналитического варианта МКЭ к динамическому расчету вакуумных камер, построение матриц жесткости и инерции конечных элементов без использования процедур Численного интегрирования.
3. Создание проблемно-ориентированного программного
вычислительного комплекса динамического расчета составных
оребренных - оболочек вращения, опирающихся на пространственные
стержневые подконструкции, обеспечивающего удовлетворительную
точность расчета при невысоких требованиях к ресурсам ЭВМ.
4. Численное исследование спектра собственных колебании
конструкций вакуумных камер и. анализ нестационарных динамически*
процессов в них.
. Научная новизна:
- в рамках классической теории оболочек Кнрхгофа-Лява и теории стержней Бернулли-Эйлера дана постановка динамических задач оребренных составных оболочек вращения, опирающихся на стержиевук пространственную конструкцию и исследованы ее спектральные свойстве прямым методом конечных элементов;
обоснована применимость метода декомпозиции к конструкция» типа вакуумных камер и разработан вариант полуаналитического МКЭ свободный от процедур численного интегрирования при построениі локальных матриц жесткости и инерции конечных элементов оболочкі вращения и кольцевого ребра;
на основе построения глобальных матриц жесткости и инерциі подсистем, на которые расчленяются рассматриваемые конструкции разработаны алгоритмы оптимальной нумерации узлов и поэлементной формирования глобальных матриц в компактной форме, свободные <г необходимости хранения матриц индексов узлов и локальных матриї конечных элементов, чем обеспечивается многократное ускорени формирования глобальных матриц конструкции и значительно снижение требований к памяти ЭВМ; ' .
создан проблемно-ориентированный программный комплекс дл IBM-совместимых персональных компьютеров типа AT 286/281 позволяющий с высокой точностью определять, спектр собственны колебаний вакуумных камер и исследовать их динамическое поведенн при внешних возмущениях;
исследован спектр собственных колебаний реальных вакуумных кямер и их вибродинамика при действии ветровых нагрузок и кинематическом возбуждении вибрациями близко расположенного оборудования.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением адекватного математического ииішрпта, систематическим тестированием подсистем программно-вычислительного комплексі и подтверждается хорошим качественным и количественным согласованием результатоа расчета с данными других авторов в ряде предельных и частных случаев.
Практическая цепкость работы заключается в создании методики динамического расчета составных сребренных оболочек вращения, опирающихся на пространственную стержневую конструкцию, позволяющей исследовать свободные и вынужденные колебания, а также нестационарные динамические процессы в них. Созданный вычислительный комплекс высокоэффективен с точки зрения затрат ресурсов ЭВМ и времени счета и позволяет решать исследовательские и прикладные задачи динамик» оребренных и гладких оболочек вращения.
Реализация результатов работы осуществлялась а рамках "хозяйственных договоров кафедры Строительной механики МГМИ. Разработанные методики расчета и вычислительны!! комплекс, а также результаты исследований динамики вакуумных камер используются- в проектной и эксплуатационной практике заинтересованных организаций. Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации и полученные результаты докладывшшсь а обсуждались на научно-технических конференциях МҐМИ ( 1989«1993гг, ), на научном семинаре "Строительная механика конструкций'1 под руководством д.ф.-М.Н., профессора Ю.Н.Новнчкова (1991,1993гг.).
По материалам диссертации опубликованы 2 статьи. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит нз введения, четырех глав; заключения, списка литературы из Н4 наименований и изложена на 132. стр. текста, подготовленного на компьютере IBM PC AT 286/287 в редакторе MS WORD FOR WINDOWS 2.0, включая 24 рис., 6 таблиц и 14 стр. библиографии.