Введение 3
Обзор литературы 7
Глава 1. Анализ напряженного состояния оболочки с множественными дефектами 13
1.1. Постановка задачи 13
1.2. Построение геометрической и конечно-элементной моделей 16
1.3. Анализ результатов 21
1.4. Заключение по Главе 1 30
Глава 2. Анализ напряженного состояния оболочки с дефектом в форме узкого цилиндра 32
2.1. Постановка задачи 32
2.2. Построение геометрической и конечно-элементной моделей 33
2.3. Анализ результатов 36
2.4. Заключение по Главе 2 40
Список литературы 42
Сосуды под давлением определяются как контейнеры или оболочки, предназначенные для транспортировки, обработки и хранения жидкостей и газов под давлением, значительно отличающемся от давления окружающей среды, и в условиях различных сопутствующих нагрузок [1, 2, 3]. Как правило, давление внутри сосуда существенно превышает внешнее, за исключением некоторых отдельных примеров.
В силу ряда конструктивных преимуществ сферические оболочки являются предпочтительной геометрией для дизайна сосудов под давлением и их компонентов[4]. Меньшая площадь поверхности на единицу объема сферического сосуда снижает влияние внешних условий, включая температурные факторы, на его содержимое. Кроме того, в отличие сосудов других форм, например, цилиндрических резервуаров, давление внутри сферической оболочки распределено равномерно во всех ее точках. Это обеспечивает повышенную стабильность сферических сосудов по сравнению с альтернативами.
В современных производственных процессах невозможно обойтись без резервуаров под давлением, поскольку они являются ключевыми компонентами в отраслях, имеющих первостепенное промышленное значение: ядерная (в активной зоне реакторов), энергетическая (например, на угольной электростанции для удержания пара, образующегося при сжигании топлива), нефтяная и нефтехимическая (для хранения и переработки сырой нефти в составе нефтехранилищ) и химическая (в химических реакторах)[2, 5].
Перспективы развития сосудов под давлением выглядят благоприятными, особенно в свете разработки современных композитных материалов и их применения в различных отраслях. Ученые подчеркивают адаптивность сосудов под давлением к потребностям 21 века, обусловленной растущим спросом на энергию и стремлением к более чистым ее источникам [6, 7].
Аварии, связанные с сосудами под давлением, могут приводить к гибели людей, материальному и экологическому ущербам, поскольку их содержимое, как правило, представляет собой легковоспламеняющееся, взрывоопасное или реактивное вещество, обладающее токсичными свойствами [8, 9, 10].
Одной из возможных причин, инициирующих отказы сосудов под давлением, является коррозия - химическая или электрохимическая реакция между материалом (как правило, металлом) и окружающей средой, приводящая к разрушению и деградации материала и ухудшению его свойств[11]...
В рамках исследования, описанного в текущей главе, рассмотрена сферический оболочка под внутренним давлением. Внешняя поверхность оболочки ослаблена узким цилиндрическим питтингом.
С помощью метода конечных элементов проведена серия численных расчетов напряженного состояния сосуда в окрестности дефекта. Построены и проанлизированы графики, отражающие данные об изменении коэффициента концентрации напряжений в ослабленной области по мере роста питтинга при заданных абсолютных размерах сосуда.
На основании анализа результатов численных экспериментов сделаны следующие выводы об уровне напряжений в окрестности особенности в виде одиночного питтинга на внешней поверхности сферической оболочки:
• Отношение толщины стенки сферической оболочки к ее внутреннему радиусу демонстрирует значительное влияние на коэффициент концентрации напряжений в окрестности дефекта с фиксированным радиусом кривизны;
• В рассмотренном случае, а именно, когда радиус кривизны сферической части выемки много меньше внутреннего радиуса оболочки, коэффициент концентрации напряжений слабо зависит от абсолютных размеров сосуда;
• Увеличение значения отношения толщины оболочки к ее внутреннему радиусу влечет повышение концентрации напряжений в окрестности дефекта;
• Наблюдения показали, что на «начальном этапе» развития питтинга (при малых значениях его глубины) разница в значениях коэффициента концентрации напряжений мала для оболочек с различными геометрическими параметрами. Однако, данная разница увеличивается по мере развития дефекта (в сосудах большей толщины при фиксированном радиусе скорость возрастания коэффициента концентрации напряжений выше). Однако, для «предельно» малых (менее 1/70) значений отношения толщины оболочки к ее внутреннему радиусу данная особенность не сохраняется;
• По мере роста глубины питтинга до некоторого «предельного» значения (0,8 — 0,9 от толщины оболочки) значения коэффициента концентрации напряжений возрастают монотонно (для геометрических моделей, где отношение толщины сосуда к его радиусу достаточно велико; в противном случае, монотонная зависимость нарушается).
