Расчет напряженно-деформированного состояния сосудов давления с дефектами
|
Введение 3
Обзор литературы 4
Глава 1. Расчет напряжений в полой сфере с дефектами на всей внешней поверхности 8
1.1. Постановка задачи 8
1.2. Построение геометрической и конечно-элементной моделей 10
1.3. Анализ результатов 11
1.4. Итоги главы 1 14
Глава 2. Расчет напряжений в сферическом сосуде с дефектами, расположенными вдоль экватора. Линейно-упругая модель 15
2.1. Постановка задачи 15
2.2. Построение геометрической и конечно-элементной моделей 15
2.3. Анализ результатов 18
2.4. Итоги главы 2 25
Глава 3. Расчет напряжений в сферическом сосуде с дефектами, расположенными вдоль экватора. Упруго-пластическая модель 26
3.1. Постановка задачи 26
3.2. Построение геометрической и конечно-элементной моделей 26
3.3. Анализ результатов 28
3.4. Итоги главы 3 29
Выводы и заключение 30
Список литературы
Обзор литературы 4
Глава 1. Расчет напряжений в полой сфере с дефектами на всей внешней поверхности 8
1.1. Постановка задачи 8
1.2. Построение геометрической и конечно-элементной моделей 10
1.3. Анализ результатов 11
1.4. Итоги главы 1 14
Глава 2. Расчет напряжений в сферическом сосуде с дефектами, расположенными вдоль экватора. Линейно-упругая модель 15
2.1. Постановка задачи 15
2.2. Построение геометрической и конечно-элементной моделей 15
2.3. Анализ результатов 18
2.4. Итоги главы 2 25
Глава 3. Расчет напряжений в сферическом сосуде с дефектами, расположенными вдоль экватора. Упруго-пластическая модель 26
3.1. Постановка задачи 26
3.2. Построение геометрической и конечно-элементной моделей 26
3.3. Анализ результатов 28
3.4. Итоги главы 3 29
Выводы и заключение 30
Список литературы
Сосуды давления представляют собой герметично закрытые емкости, предназначенные для ведения химических, тепловых и других технологических процессов. Сосуды давления широко используются как в промышленности, так и в быту. Среди отраслей промышленности, в которых находят применение сосуды давления, преобладают такие сферы как горнодобывающая, нефтехимическая, нефтегазоперерабатывающая. Наряду с производственными процессами, сосуды давления используются для хранения и транспортировки на большие расстояния различных сжатых, сжиженных, растворенных газов, жидкостей и прочих веществ под давлением. Некоторыми примерами сосудов давления являются гидравлические резервуары, дистилляционные башни, барокамеры, ресиверы, автоклавы, цистерны и другое. Несмотря на гипотетическое разнообразие возможных форм сосудов высокого давления, предпочтительными остаются сфера, конус, цилиндр и их комбинации. Как правило, более сложные формы гораздо труднее строить и в дальнейшем анализировать для обеспечения без-опасной эксплуатации. Более того, для хранения и транспортировки жидкостей и сжиженных газов идеальной формой сосуда внутреннего давления является именно сферическая [1]. Преимущество сферических сосудов состоит в том, что они имеют наименьшую площадь поверхности на единицу объема. Соответственно, температурные условия окружающей среды имеют наименьшее влияние на жидкость внутри сферы. Другими словами, количество тепла, передаваемого от среды к жидкости и наоборот, будет наименьшим по сравнению с сосудами цилиндрических, конических и других форм. Теоретически сферический сосуд высокого давления примерно в два раза прочнее цилиндрического с той же толщиной стенок [2]. Различные нагрузки, тяжелые условия эксплуатации и транспортировки, неблагоприятные факторы окружающей среды могут вызывать появление повреждений на поверхности сосуда. Большинство сосудов давления изготавливаются из металлов. В этом случае часто встречающейся причиной повреждений являются коррозионные процессы [3, 4, 6]. Коррозия - это электрохимический процесс, способствующий возникновению коррозионных повреждений на поверхности металлических элементов [7]. Для конструкций, изготовленных из металла и, в частности, из стали коррозия неизбежна в течение срока службы. Она значительно снижает несущую способность и несет серьезную угрозу безопасности эксплуатации конструкции [8]. Одной из часто встречающихся и опасных типов коррозии является точечная, или питтинговая, коррозия. Как правило, точечная коррозия определяется как чрезвычайно локализированное коррозионное воздействие, область которого относительно мала по сравнению с поверхностью корродированного объекта [9]. Этот тип локальной коррозии вызывает минимальные потери объема конструкции, но может приводить к катастрофическому разрушению [8]. Долговечность сосудов давления существенно сокращается при появлении на их поверхности питтингов, возникающих из-за неблагоприятных факторов окружающей среды [10]. Питтинговые коррозионные дефекты, постепенно накапливаясь, могут вызвать концентрацию напряжения, инициировать преждевременное пластическое поведение и в результате стать причиной износа и разрушения конструкции [11]. Для обеспечения долгосрочной надежности необходимо анализировать локально сконцентрированные нагрузки в окрестности дефектов и во всем теле, проводить исследование напряженно-деформированного состояния сосуда при наличии дефектов. Точное прогнозирование поведения конструкции, подверженной коррозии, может сократить затраты на техническое обслуживание.
Металлические сосуды высокого давления, используемые в различных областях промышленности, часто подвергаются агрессивным условиям окружающей среды во время эксплуатации. Коррозия, развивающаяся на поверхности сосуда, способствует возникновению множественных повреждений в виде выемок. Для предотвращения преждевременного износа и точного прогнозирования поведения конструкции необходимо оценивать напряженно-деформированное состояние в окрестности дефектов с выявлением причин повышенных нагрузок.
С этой целью в данной выпускной квалификационной работе проведен анализ напряженного-деформированного состояния сферического сосуда внутреннего давления. Внешняя поверхность сосуда ослаблена множественными дефектами, представляющими собой полусферические выемки. Исследование состоит из нескольких подзадач, которые определяются способом расположения дефектов на поверхности сферической оболочки, а также рассматриваемой в том или ином случае моделью поведения материала сосуда: линейно-упругой или упруго-пластической. В результате работы решены все поставленные задачи.
Во-первых, рассмотрено псевдо-равномерное расположение дефектов на всей поверхности оболочки сосуда в рамках линейно-упругой модели и проведен анализ напряженного состояния тела в зависимости от степени поврежденности поверхности сферы. Результаты анализа позволяют сформулировать следующие утверждения:
• Максимальные значения напряжений достигаются в окрестности дефектов;
• Увеличение степени поврежденности поверхности сосуда дефектами вызывает рост значений максимального напряжения;
• Наблюдается относительно быстрый рост напряжений при степени поврежденности до 0.1% и более плавное возрастание при дальнейшем увеличении площади повреждения.
Во-вторых, изучено напряженно-деформированное состояние линейно-упругого сосуда давления с множественными выемками, расположенными равномерным и случайным образом вдоль экватора его оболочки. Исследование напряженно-деформированного состояния выполнено в зависимости от геометрических параметров задачи, а также проведен сравнительный анализ результатов, полученных при рассмотрении двух способов расположения выемок по экватору: равномерного и случайного. Анализ результатов позволяет заключить следующее:
• Для сферы с равномерным расположением дефектов максимальные напряжения сначала плавно, а затем резко возрастают с ростом числа выемок до определенного значения. При дальнейшем увеличении числа дефектов наблюдается легкий спад напряжений. Характер зависимости коэффициента концентрации напряжений от количества дефектов обусловлен перераспределением напряжений в силу взаимодействия полей напряжений соседствующих выемок;
• В сфере с дефектами, случайно расположенными вдоль экватора, происходит немонотонное изменение максимального напряжения с увеличением количества выемок;
• Концентрация напряжений для случайного распределения дефектов несколько выше, чем для равномерного. А именно, разница между максимальными напряжениями при рассмотренных способах расположения выемок составляет примерно 8,6%;
• Диапазон изменения количества выемок, при котором наблюдается максимум, заметно больше при случайном расположении дефектов;
• Во всех рассмотренных случаях максимальное напряжение возникает на острых гранях, образованных между дефектами, которые слегка пересекаются или едва касаются друг друга;
• Расстояние между соседними дефектами - существенный, но не единственный фактор, влияющий на возникновение зоны максимальных напряжений в сосуде.
Наконец, проведено исследование напряженно-деформированного состояния в сосуде давления с множественными случайно расположенными дефектами в рамках упруго-пластической модели. Сравнительный анализ результатов исследования с рассмотрением двух моделей (линейно-упругой и упруго-пластической) показал, что концентрация напряжений для упруго-пластической модели ниже, чем для линейной. Однако, характеры зависимости коэффициентов концентрации напряжений от количества дефектов для двух моделей идентичны. Максимальные напряжения наблюдаются также в зонах острых граней между дефектами при рассмотрении пластического поведения материала.
С этой целью в данной выпускной квалификационной работе проведен анализ напряженного-деформированного состояния сферического сосуда внутреннего давления. Внешняя поверхность сосуда ослаблена множественными дефектами, представляющими собой полусферические выемки. Исследование состоит из нескольких подзадач, которые определяются способом расположения дефектов на поверхности сферической оболочки, а также рассматриваемой в том или ином случае моделью поведения материала сосуда: линейно-упругой или упруго-пластической. В результате работы решены все поставленные задачи.
Во-первых, рассмотрено псевдо-равномерное расположение дефектов на всей поверхности оболочки сосуда в рамках линейно-упругой модели и проведен анализ напряженного состояния тела в зависимости от степени поврежденности поверхности сферы. Результаты анализа позволяют сформулировать следующие утверждения:
• Максимальные значения напряжений достигаются в окрестности дефектов;
• Увеличение степени поврежденности поверхности сосуда дефектами вызывает рост значений максимального напряжения;
• Наблюдается относительно быстрый рост напряжений при степени поврежденности до 0.1% и более плавное возрастание при дальнейшем увеличении площади повреждения.
Во-вторых, изучено напряженно-деформированное состояние линейно-упругого сосуда давления с множественными выемками, расположенными равномерным и случайным образом вдоль экватора его оболочки. Исследование напряженно-деформированного состояния выполнено в зависимости от геометрических параметров задачи, а также проведен сравнительный анализ результатов, полученных при рассмотрении двух способов расположения выемок по экватору: равномерного и случайного. Анализ результатов позволяет заключить следующее:
• Для сферы с равномерным расположением дефектов максимальные напряжения сначала плавно, а затем резко возрастают с ростом числа выемок до определенного значения. При дальнейшем увеличении числа дефектов наблюдается легкий спад напряжений. Характер зависимости коэффициента концентрации напряжений от количества дефектов обусловлен перераспределением напряжений в силу взаимодействия полей напряжений соседствующих выемок;
• В сфере с дефектами, случайно расположенными вдоль экватора, происходит немонотонное изменение максимального напряжения с увеличением количества выемок;
• Концентрация напряжений для случайного распределения дефектов несколько выше, чем для равномерного. А именно, разница между максимальными напряжениями при рассмотренных способах расположения выемок составляет примерно 8,6%;
• Диапазон изменения количества выемок, при котором наблюдается максимум, заметно больше при случайном расположении дефектов;
• Во всех рассмотренных случаях максимальное напряжение возникает на острых гранях, образованных между дефектами, которые слегка пересекаются или едва касаются друг друга;
• Расстояние между соседними дефектами - существенный, но не единственный фактор, влияющий на возникновение зоны максимальных напряжений в сосуде.
Наконец, проведено исследование напряженно-деформированного состояния в сосуде давления с множественными случайно расположенными дефектами в рамках упруго-пластической модели. Сравнительный анализ результатов исследования с рассмотрением двух моделей (линейно-упругой и упруго-пластической) показал, что концентрация напряжений для упруго-пластической модели ниже, чем для линейной. Однако, характеры зависимости коэффициентов концентрации напряжений от количества дефектов для двух моделей идентичны. Максимальные напряжения наблюдаются также в зонах острых граней между дефектами при рассмотрении пластического поведения материала.
Подобные работы
- Анализ напряженно-деформированного состояния сферических сосудов давления с коррозионными повреждениями
Дипломные работы, ВКР, математика и информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4650 р. Год сдачи: 2023 - Прочностной анализ труб с учетом коррозионных повреждений
Магистерская диссертация, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2019 - Сравнительный анализ прочностных характеристик сталей трубного сортамента в процессе длительной эксплуатации магистральных газонефтепроводов
Магистерская диссертация, транспортно-грузовые системы. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016 - Разработка технологии сборки и сварки теплообменника Т-101 из стали 09Г2С
Бакалаврская работа, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4275 р. Год сдачи: 2018