Помощь студентам в учебе
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОРПУСА МАГИСТРАЛЬНОЙ ЗАДВИЖКИ DN 1200 PN 8,0 МПА С ВНУТРЕННИМИ ПОРАМИ ПРИ ОДНОКРАТНОМ И ПОВТОРНО-ПЕРЕМЕННОМ НАГРУЖЕНИИ
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ 4
1 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ КОНСТРУКЦИИ
С ДЕФЕКТАМИ 6
1.1 Запорная арматура: конструкции, условия эксплуатации, основные виды
предельных состояний 6
1.2 Подходы к моделированию пластичных материалов с различного рода
дефектами 21
2 ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
БЕЗДЕФЕКТНОЙ КОНСТРУКЦИИ 38
2.1 Численный анализ напряженно-деформированного состояния
нагруженной конструкции без учета внутреннего дефекта 38
2.2 Подбор оптимальной сетки для расчета НДС конструкции с групповым
гладким концентратором 46
3 ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ПОДКОНСТРУКЦИИ С ДЕФЕКТАМИ 56
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СРЕДЫ С РЕГУЛЯРНО РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ
ПОРАМИ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ОДНОРОДНОЙ СПЛОШНОЙ ИЗОТРОПНОЙ СРЕДОЙ 72
4.1 Идентификация модели среды с регулярно распределенными порами
при однократном нагружении 72
4.2 Идентификация модели среды с регулярно распределенными порами
при циклическом нагружении 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 113
ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ 4
1 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ КОНСТРУКЦИИ
С ДЕФЕКТАМИ 6
1.1 Запорная арматура: конструкции, условия эксплуатации, основные виды
предельных состояний 6
1.2 Подходы к моделированию пластичных материалов с различного рода
дефектами 21
2 ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
БЕЗДЕФЕКТНОЙ КОНСТРУКЦИИ 38
2.1 Численный анализ напряженно-деформированного состояния
нагруженной конструкции без учета внутреннего дефекта 38
2.2 Подбор оптимальной сетки для расчета НДС конструкции с групповым
гладким концентратором 46
3 ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
ПОДКОНСТРУКЦИИ С ДЕФЕКТАМИ 56
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СРЕДЫ С РЕГУЛЯРНО РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ
ПОРАМИ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ОДНОРОДНОЙ СПЛОШНОЙ ИЗОТРОПНОЙ СРЕДОЙ 72
4.1 Идентификация модели среды с регулярно распределенными порами
при однократном нагружении 72
4.2 Идентификация модели среды с регулярно распределенными порами
при циклическом нагружении 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 113
Задвижки магистральных нефте- и продуктопроводов при приемо-сдаточных испытаниях испытывают однократные, а при эксплуатации - повторно-переменные нагрузки, действие которых усугубляется другими неблагоприятными факторами (повышенная или, наоборот, пониженная температура, деформационное старение металла, коррозия и др.). Усталость - основной механизм утраты работоспособности при повторно-переменном нагружении - представляет довольно сложное в смысле математического описания явление. Это обстоятельство связано с существованием различных механизмов повреждаемости и разрушения, обусловленных характером внешнего воздействия. Предельное состояние конструкции достигается в результате постепенного накопления материалом рассеянного повреждения, которое сопровождается изменением как деформационных, так и прочностных его свойств и приводит к зарождению микро-, а затем и макротрещин. Таким образом, ресурс запорной арматуры определяется, главным образом, сопротивлением усталостному разрушению, в ряде случаев, малоцикловому.
Расчетное моделирование таких процессов позволяет оценивать ресурс изделия до его изготовления. С практической точки зрения полезным результатом такого исследования является разработка соответствующей расчетно-экспериментальной методики и конечно-элементной (КЭ) модели задвижки в целом, а также КЭ-модели отдельного фрагмента (подконструкции) наиболее нагруженной зоны с дефектами. Построенные на основе результатов вариантных расчетов номограммы позволяют существенно сократить трудоемкость определения фактического коэффициента запаса по предельной пластической деформации и соответствующему предельному напряжению в связи с размером дефектов, расстояния между ними и глубиной залегания дефектной структуры по толщине стенки корпуса задвижки.
Разработка методики определения параметров математической модели сплошной однородной изотропной среды, эквивалентной по своим деформационным и прочностным свойствам пористой среде, позволяет применять проверенные инженерной практикой закономерности, критериальные соотношения и методы расчета приемлемой трудоемкости как для нормирования допускаемых размеров дефектов и их плотности, так и для назначения обоснованных коэффициентов запаса прочности по напряжению, деформации и долговечности реальной пористой среды.
В связи с вышесказанным, целью выпускной квалификационной работы (уровень магистратуры) является оценка прочности и долговечности корпуса магистральной задвижки DN 1200 PN 8,0 МПа с внутренними порами при однократном и повторно-переменном нагружении.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• произвести обзор конструкций задвижек, условий их эксплуатации и выявить актуальные виды предельных состояний (механизмы исчерпания несущей способности);
• рассмотреть подходы к моделированию пластичных материалов с дефектами в виде закрытых и открытых пор;
• произвести анализ существующих критериев достижения предельного состояния конструкции с учетом существования групповых гладких (литейных) дефектов в виде сферических пустот и выявить их недостатки;
• по имеющимся данным получить диаграммы деформирования Стали 20 при однократном и циклическом нагружении, в том числе, с учетом работы материала в области предельной деформации;
• разработать алгоритм, составить расчетную схему, сформировав адекватную конечно-элементную модель, и выполнить серию расчетов для оценки влияния положения группового гладкого дефекта в виде упорядоченной структуры, элементом которой является тетраэдр, в литом корпусе задвижки и расстояния между отдельными дефектами в условиях однократного статического нагружения; • выполнить анализ результатов и сформулировать зависимости фактического коэффициента запаса по предельной деформации и напряжению от расстояния между дефектами и положения (глубины залегания) группы дефектов в данных условиях;
• разработать методику определения параметров математической модели сплошной однородной изотропной среды, эквивалентной по своим деформационным и прочностным свойствам пористой среде, при однократном и циклическом нагружении;
• исследовать закономерности влияния степени пористости реального тела на деформационные и прочностные характеристики модельной сплошной однородной среды и определить область корректного применения предложенного подхода.
Расчетное моделирование таких процессов позволяет оценивать ресурс изделия до его изготовления. С практической точки зрения полезным результатом такого исследования является разработка соответствующей расчетно-экспериментальной методики и конечно-элементной (КЭ) модели задвижки в целом, а также КЭ-модели отдельного фрагмента (подконструкции) наиболее нагруженной зоны с дефектами. Построенные на основе результатов вариантных расчетов номограммы позволяют существенно сократить трудоемкость определения фактического коэффициента запаса по предельной пластической деформации и соответствующему предельному напряжению в связи с размером дефектов, расстояния между ними и глубиной залегания дефектной структуры по толщине стенки корпуса задвижки.
Разработка методики определения параметров математической модели сплошной однородной изотропной среды, эквивалентной по своим деформационным и прочностным свойствам пористой среде, позволяет применять проверенные инженерной практикой закономерности, критериальные соотношения и методы расчета приемлемой трудоемкости как для нормирования допускаемых размеров дефектов и их плотности, так и для назначения обоснованных коэффициентов запаса прочности по напряжению, деформации и долговечности реальной пористой среды.
В связи с вышесказанным, целью выпускной квалификационной работы (уровень магистратуры) является оценка прочности и долговечности корпуса магистральной задвижки DN 1200 PN 8,0 МПа с внутренними порами при однократном и повторно-переменном нагружении.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• произвести обзор конструкций задвижек, условий их эксплуатации и выявить актуальные виды предельных состояний (механизмы исчерпания несущей способности);
• рассмотреть подходы к моделированию пластичных материалов с дефектами в виде закрытых и открытых пор;
• произвести анализ существующих критериев достижения предельного состояния конструкции с учетом существования групповых гладких (литейных) дефектов в виде сферических пустот и выявить их недостатки;
• по имеющимся данным получить диаграммы деформирования Стали 20 при однократном и циклическом нагружении, в том числе, с учетом работы материала в области предельной деформации;
• разработать алгоритм, составить расчетную схему, сформировав адекватную конечно-элементную модель, и выполнить серию расчетов для оценки влияния положения группового гладкого дефекта в виде упорядоченной структуры, элементом которой является тетраэдр, в литом корпусе задвижки и расстояния между отдельными дефектами в условиях однократного статического нагружения; • выполнить анализ результатов и сформулировать зависимости фактического коэффициента запаса по предельной деформации и напряжению от расстояния между дефектами и положения (глубины залегания) группы дефектов в данных условиях;
• разработать методику определения параметров математической модели сплошной однородной изотропной среды, эквивалентной по своим деформационным и прочностным свойствам пористой среде, при однократном и циклическом нагружении;
• исследовать закономерности влияния степени пористости реального тела на деформационные и прочностные характеристики модельной сплошной однородной среды и определить область корректного применения предложенного подхода.
В результате обзора конструкций задвижек и условий их эксплуатации выяв
лены основные причины выхода из строя основных элементов подобных кон
струкций.
Рассмотренные подходы к моделированию деформационных и прочностных свойств пластичных материалов с различного рода дефектами позволили установить, что разработка методики определения параметров математических моделей деформационных и прочностных свойств как при однократном, так и циклическом нагружении по-прежнему является актуальной задачей.
Реализованный подход, основанный на замене реального тела с дефектами эквивалентной ему по своим деформационным и прочностным характеристикам сплошной однородной изотропной средой обладает определенной научной новизной.
Его практическая значимость, помимо определения характеристик конкретного материала - конструкционной углеродистой Стали 20 - различной степени пористости, заключается в возможности использования проверенных инженерной практикой закономерностей, критериальных соотношении и методов расчета приемлемой трудоемкости.
2. Подобран критерий достижения предельного состояния объекта исследования - литого корпуса шиберной задвижки DN 1200 PN 8,0 МПа при однократном статическом нагружении при наличии групповых гладких (литейных) дефектов в виде сферических пустот. Для анализа гладких групповых дефектов подобного вида обосновано применение деформационного критерия В. Л. Колмогорова.
3. Построена конечно-элементная модель области тела со сферическими пустотелыми концентраторами. Оптимальная сетка трехмерных конечных элементов SOLID 186, 187 с тремя степенями свободы в каждом узле сформирована по результатам сопоставления значений теоретического коэффициента концентрации напряжений, полученных расчетом напряженно-деформированного состояния, со справочными данными.
4. С использованием подобранной сетки конечных элементов с использованием реальной диаграммы деформирования Стали 20 получены поля напряжений и деформаций в бездефектном корпусе задвижки DN 1200 PN 8,0 МПа при однократном статическом воздействии, что позволило выявить наиболее опасные с точки зрения нагруженности зоны.
5. На основе метода подконструкций разработан алгоритм и выполнена серия расчетов напряженно-деформированного состояния в указанной области с групповым гладким дефектом с целью оценки влияния расстояния между дефектами и глубины залегания на прочность литого корпуса задвижки.
6. В результате анализа результатов расчета сформулированы зависимости фактического коэффициента запаса по предельной деформации и напряжению от расстояния между дефектами и глубины залегания группового дефекта, представленные в графической форме в виде номограмм и поверхностей.
7. Построена геометрическая модель регулярной пористой структуры в виде конечного набора тетраэдров со сферическими дефектами в их вершинах. На ее основе разработана конечно-элементная модель образца пористого материала. Обосновано использование ранее сформированной конечно-элементной сетки при анализе пористой структуры с множественными дефектами.
8. Получены зависимости упругих констант (модуля упругости и коэффициента Пуассона) модельной среды от степени пористости моделируемого материала.
9. Получены и проанализированы диаграммы однократного нагружения модельной среды в зависимости от степени пористости реального материала. Обнаружено, что с увеличением пористости материала ресурс пластичности уменьшается, соответственно, уменьшается истинное напряжение в момент разрушения. Анализ кривых деформирования выявил важную с практической точки зрения особенность - их центральное подобие. Получена зависимость коэффициента центрального подобия кривых деформирования от степени пористости материала.
10. Получены и проанализированы кривые циклического деформирования и циклическая кривая бездефектного материала. Установлено, что так называемый коэффициент прочности в уравнении кривой циклического деформирования нелинейно зависит от величины амплитуды пластической деформации в цикле.
11. Проверена правомерность применения принципа Мазинга в отношении кривых циклического деформирования; оказалось, что степень соответствия ему зависит от амплитуды деформации.
12. Выполнен численный анализ кривых циклического деформирования виртуальных образцов со сферическими газовыми пузырьками; на его основе получены кривые циклического деформирования и циклические кривые эквивалентной среды, соответствующей материалу с различной степенью пористости, при ряде значений размаха неупругой деформации.
13. Выполнено описание кривых усталости в симметричном цикле эквивалентной сплошной среды при различной степени пористости моделируемого материала на основе одной из простейших зависимостей типа уравнения Мэнсона-Лэн- жера. Численным расчетом кинетики неупругого циклического деформирования установлено, что в опасной точке в зоне концентрации наряду со знакопеременным пластическим течением присутствует и одностороннее накопление деформации, прекращающееся по истечении нескольких первых циклов нагружения. Долговечность определяли с учетом как усталостного, так и квазиста- тического повреждений с привлечением гипотезы линейного суммирования повреждений в деформационной трактовке.
14. Достоверность результатов исследования подтверждается использованием апробированных, доказавших свою состоятельность критериев прочности, известных вычислительных методов и стандартных пакетов численного анализа ANSYS, SolidWorks, Mathcad и Excel, а также анализом оценки сходимости численных решений.
15. Практическую значимость исследования представляет разработанная мето-дика прогнозирования возможности эксплуатации элементов запорной арматуры с гладким групповым дефектом, размеры и расстояния которых превосходят нормативно допустимые. Небезынтересным для проектировщиков подобного оборудования могут оказаться поля напряжений и деформаций вблизи гладких дефектов....
лены основные причины выхода из строя основных элементов подобных кон
струкций.
Рассмотренные подходы к моделированию деформационных и прочностных свойств пластичных материалов с различного рода дефектами позволили установить, что разработка методики определения параметров математических моделей деформационных и прочностных свойств как при однократном, так и циклическом нагружении по-прежнему является актуальной задачей.
Реализованный подход, основанный на замене реального тела с дефектами эквивалентной ему по своим деформационным и прочностным характеристикам сплошной однородной изотропной средой обладает определенной научной новизной.
Его практическая значимость, помимо определения характеристик конкретного материала - конструкционной углеродистой Стали 20 - различной степени пористости, заключается в возможности использования проверенных инженерной практикой закономерностей, критериальных соотношении и методов расчета приемлемой трудоемкости.
2. Подобран критерий достижения предельного состояния объекта исследования - литого корпуса шиберной задвижки DN 1200 PN 8,0 МПа при однократном статическом нагружении при наличии групповых гладких (литейных) дефектов в виде сферических пустот. Для анализа гладких групповых дефектов подобного вида обосновано применение деформационного критерия В. Л. Колмогорова.
3. Построена конечно-элементная модель области тела со сферическими пустотелыми концентраторами. Оптимальная сетка трехмерных конечных элементов SOLID 186, 187 с тремя степенями свободы в каждом узле сформирована по результатам сопоставления значений теоретического коэффициента концентрации напряжений, полученных расчетом напряженно-деформированного состояния, со справочными данными.
4. С использованием подобранной сетки конечных элементов с использованием реальной диаграммы деформирования Стали 20 получены поля напряжений и деформаций в бездефектном корпусе задвижки DN 1200 PN 8,0 МПа при однократном статическом воздействии, что позволило выявить наиболее опасные с точки зрения нагруженности зоны.
5. На основе метода подконструкций разработан алгоритм и выполнена серия расчетов напряженно-деформированного состояния в указанной области с групповым гладким дефектом с целью оценки влияния расстояния между дефектами и глубины залегания на прочность литого корпуса задвижки.
6. В результате анализа результатов расчета сформулированы зависимости фактического коэффициента запаса по предельной деформации и напряжению от расстояния между дефектами и глубины залегания группового дефекта, представленные в графической форме в виде номограмм и поверхностей.
7. Построена геометрическая модель регулярной пористой структуры в виде конечного набора тетраэдров со сферическими дефектами в их вершинах. На ее основе разработана конечно-элементная модель образца пористого материала. Обосновано использование ранее сформированной конечно-элементной сетки при анализе пористой структуры с множественными дефектами.
8. Получены зависимости упругих констант (модуля упругости и коэффициента Пуассона) модельной среды от степени пористости моделируемого материала.
9. Получены и проанализированы диаграммы однократного нагружения модельной среды в зависимости от степени пористости реального материала. Обнаружено, что с увеличением пористости материала ресурс пластичности уменьшается, соответственно, уменьшается истинное напряжение в момент разрушения. Анализ кривых деформирования выявил важную с практической точки зрения особенность - их центральное подобие. Получена зависимость коэффициента центрального подобия кривых деформирования от степени пористости материала.
10. Получены и проанализированы кривые циклического деформирования и циклическая кривая бездефектного материала. Установлено, что так называемый коэффициент прочности в уравнении кривой циклического деформирования нелинейно зависит от величины амплитуды пластической деформации в цикле.
11. Проверена правомерность применения принципа Мазинга в отношении кривых циклического деформирования; оказалось, что степень соответствия ему зависит от амплитуды деформации.
12. Выполнен численный анализ кривых циклического деформирования виртуальных образцов со сферическими газовыми пузырьками; на его основе получены кривые циклического деформирования и циклические кривые эквивалентной среды, соответствующей материалу с различной степенью пористости, при ряде значений размаха неупругой деформации.
13. Выполнено описание кривых усталости в симметричном цикле эквивалентной сплошной среды при различной степени пористости моделируемого материала на основе одной из простейших зависимостей типа уравнения Мэнсона-Лэн- жера. Численным расчетом кинетики неупругого циклического деформирования установлено, что в опасной точке в зоне концентрации наряду со знакопеременным пластическим течением присутствует и одностороннее накопление деформации, прекращающееся по истечении нескольких первых циклов нагружения. Долговечность определяли с учетом как усталостного, так и квазиста- тического повреждений с привлечением гипотезы линейного суммирования повреждений в деформационной трактовке.
14. Достоверность результатов исследования подтверждается использованием апробированных, доказавших свою состоятельность критериев прочности, известных вычислительных методов и стандартных пакетов численного анализа ANSYS, SolidWorks, Mathcad и Excel, а также анализом оценки сходимости численных решений.
15. Практическую значимость исследования представляет разработанная мето-дика прогнозирования возможности эксплуатации элементов запорной арматуры с гладким групповым дефектом, размеры и расстояния которых превосходят нормативно допустимые. Небезынтересным для проектировщиков подобного оборудования могут оказаться поля напряжений и деформаций вблизи гладких дефектов....
