📄Работа №209754
Тема: Исследование НДС стеклопластиковых конструкций с Зх-слойной структурой стенки
Тип работы
Магистерская диссертация
Предмет
Строительство
Объем:
129 листов
Год:
2021
Просмотров:
27
5900
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 7
1.1 Промышленные конструкции: область применения, общая
характеристика и разновидности 7
1.1.1 Промышленные трубы 7
1.1.2 Емкостное оборудование 14
1.2 Повреждения промышленных труб 20
1.3 Технология изготовления стеклопластиковых труб 24
1.3.1 Конструктивные особенности 24
1.3.2 Методы изготовления 31
1.4 Повреждения стеклопластиковых конструкций 35
1.5 Выводы по главе 38
2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 40
2.1 Обзор литературы 40
2.2 Лабораторное исследование физико-механических свойств
стеклопластика 43
2.3 Выводы по главе 50
3 ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НДС ТРЕХСЛОЙНЫХ
СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ОБОЛОЧЕК 52
3.1 Методика численных исследований 52
3.2 Исследование НДС трехслойной стеклопластиковой конструкции с
гладкой структурой стенки 62
3.3 Выводы по главе 74
4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ 76
4.1 Численное исследование НДС трехслойных стеклопластиковых
оболочек с гофрированной структурой стенки 76
4.2 Компенсация температурных деформаций гофрированными
оболочками 107
4.3 Технологические особенности изготовления гофрированных оболочек
из стеклопластика 109
4.4 Выводы по главе 115
5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 120
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 7
1.1 Промышленные конструкции: область применения, общая
характеристика и разновидности 7
1.1.1 Промышленные трубы 7
1.1.2 Емкостное оборудование 14
1.2 Повреждения промышленных труб 20
1.3 Технология изготовления стеклопластиковых труб 24
1.3.1 Конструктивные особенности 24
1.3.2 Методы изготовления 31
1.4 Повреждения стеклопластиковых конструкций 35
1.5 Выводы по главе 38
2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 40
2.1 Обзор литературы 40
2.2 Лабораторное исследование физико-механических свойств
стеклопластика 43
2.3 Выводы по главе 50
3 ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НДС ТРЕХСЛОЙНЫХ
СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ОБОЛОЧЕК 52
3.1 Методика численных исследований 52
3.2 Исследование НДС трехслойной стеклопластиковой конструкции с
гладкой структурой стенки 62
3.3 Выводы по главе 74
4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ 76
4.1 Численное исследование НДС трехслойных стеклопластиковых
оболочек с гофрированной структурой стенки 76
4.2 Компенсация температурных деформаций гофрированными
оболочками 107
4.3 Технологические особенности изготовления гофрированных оболочек
из стеклопластика 109
4.4 Выводы по главе 115
5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 120
📖 Введение
В настоящее время во всех индустриально развитых странах наблюдается устойчивый рост объема производства конструкций из полимерных композиционных материалов, применяемых в различных областях техники. Доля их применения, в том числе стеклоармированных пластиков, в строительстве с учетом антикоррозионной защиты промышленного оборудования составляет около 30% от общего объема потребления [1].
В практике производства и переработки композитов существенная роль на данный момент принадлежит интуитивному подходу, а количественные оценки в ряде случаев весьма ограничены. Это обусловлено, во-первых, отсутствием завершенных стройных физических теорий; во-вторых, различиями в способах оценки тех или иных механических и физико-химических характеристик компонентов и композитов; в-третьих, ограниченностью информации о стандартных свойствах наполнителей и связующих, а также готовых материалов, предназначенных для различных отраслей.
Устойчивый рост рынка обусловлен постоянным расширением сфер применения композиционных материалов и конструкций, в частности стеклопластиковых.
Стеклопластик — состоит из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (ровингов), тканей, матов, рубленых волокон, связующим — полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды и поликарбонаты.
По сравнению с конструкциями из традиционных материалов (металла, железобетона, кирпича, дерева) стеклопластиковые конструкции обладают рядом преимуществ:
1. Малый вес стеклопластика позволяет проводить монтаж укрупненных блоков изделий общедоступными грузоподъемными механизмами и оказывает важное влияние на их дальнейшую эксплуатацию;
2. Высокая заводская готовность конструкций обеспечивает высокую скорость сборки и установки, упрощает логистику для перевозки сборных частей, облегчает транспортировку;
3. Низкая теплопроводность стеклопластика позволяет минимизировать затраты на теплоизоляцию;
4. Изделия обладают высокими прочностными характеристиками;
5. Сравнительно низкое водопоглощение позволяет отказаться от применения гидроизолирующих материалов и эксплуатировать изделия в мокрых и влажных средах;
6. Высокая коррозионная стойкость (отсутствует необходимость в антикоррозионной обработке). Атмосферостойкость не требует дополнительных защитных мероприятий от коррозии и обуславливающая длительность эксплуатации в любых климатических условиях (срок службы более 40-50 лет);
7. Ремонтно-восстановительные работы могут осуществляться на месте эксплуатации, не требуя специального оборудования. Суть работ заключается в восстановлении поврежденных мест методом приклейки стеклоткани эпоксидными композициями, нанесение эпоксидных составов с различными компонентами или герметизирующих паст.
Однако у стеклопластика есть и ряд недостатков:
1. Процесс выклейки стеклопластиковых деталей очень длительный и трудоемкий, что вызывает большие затруднения при массовом производстве;
2. На данный момент изделия из стеклопластика проигрывают по цене изделиям из металла. Основные затраты при производстве изделий из стеклопластика приходятся на технологическое оборудование и рабочую силу, так как производство стеклопластиковых изделий требуют большие затраты труда и времени.
В практике производства и переработки композитов существенная роль на данный момент принадлежит интуитивному подходу, а количественные оценки в ряде случаев весьма ограничены. Это обусловлено, во-первых, отсутствием завершенных стройных физических теорий; во-вторых, различиями в способах оценки тех или иных механических и физико-химических характеристик компонентов и композитов; в-третьих, ограниченностью информации о стандартных свойствах наполнителей и связующих, а также готовых материалов, предназначенных для различных отраслей.
Устойчивый рост рынка обусловлен постоянным расширением сфер применения композиционных материалов и конструкций, в частности стеклопластиковых.
Стеклопластик — состоит из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (ровингов), тканей, матов, рубленых волокон, связующим — полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, полиимиды, алифатические полиамиды и поликарбонаты.
По сравнению с конструкциями из традиционных материалов (металла, железобетона, кирпича, дерева) стеклопластиковые конструкции обладают рядом преимуществ:
1. Малый вес стеклопластика позволяет проводить монтаж укрупненных блоков изделий общедоступными грузоподъемными механизмами и оказывает важное влияние на их дальнейшую эксплуатацию;
2. Высокая заводская готовность конструкций обеспечивает высокую скорость сборки и установки, упрощает логистику для перевозки сборных частей, облегчает транспортировку;
3. Низкая теплопроводность стеклопластика позволяет минимизировать затраты на теплоизоляцию;
4. Изделия обладают высокими прочностными характеристиками;
5. Сравнительно низкое водопоглощение позволяет отказаться от применения гидроизолирующих материалов и эксплуатировать изделия в мокрых и влажных средах;
6. Высокая коррозионная стойкость (отсутствует необходимость в антикоррозионной обработке). Атмосферостойкость не требует дополнительных защитных мероприятий от коррозии и обуславливающая длительность эксплуатации в любых климатических условиях (срок службы более 40-50 лет);
7. Ремонтно-восстановительные работы могут осуществляться на месте эксплуатации, не требуя специального оборудования. Суть работ заключается в восстановлении поврежденных мест методом приклейки стеклоткани эпоксидными композициями, нанесение эпоксидных составов с различными компонентами или герметизирующих паст.
Однако у стеклопластика есть и ряд недостатков:
1. Процесс выклейки стеклопластиковых деталей очень длительный и трудоемкий, что вызывает большие затруднения при массовом производстве;
2. На данный момент изделия из стеклопластика проигрывают по цене изделиям из металла. Основные затраты при производстве изделий из стеклопластика приходятся на технологическое оборудование и рабочую силу, так как производство стеклопластиковых изделий требуют большие затраты труда и времени.
✅ Заключение
В данной научной работе было выполнено исследование напряженно- деформированного состояния трехслойных стеклопластиковых конструкций в условиях эксплуатационных тепловых воздействий. На основании выполненной работы были получены следующие выводы:
1. Стеклопластик является эффективным материалом для оболочечных конструкций, работающих в непосредственном контакте с агрессивными средами. Широкое внедрение его в современных производствах, связанных с применением физически активных процессов сдерживается его высокой стоимостью и недостатком данных по механическим характеристикам, что вызывает необходимость проведения экспериментальных и теоретических исследований стеклопластика. Вышесказанное определило актуальность исследования свойств стеклопластика в оболочках;
2. Анализ условий эксплуатации и характера повреждений стеклопластиковых оболочек показал, что от теплового воздействия преимущественно повреждаются оболочки с «сэндвичевой» структурой стенки. Разрушение диагностируется в наружном слое в виде кольцевой трещины, внутренний слой остается без повреждений;
3. Большую часть повреждений наружного слоя получают стеклопластиковые конструкции изготовленные по технологии мокрой намотки стеклоровингом (ниткой);
4. Результаты лабораторных исследований прочностных свойств образцов стеклопластика изготовленного методом мокрой намотки стеклоровингом (ниткой) показали значительную анизотропию прочностных свойств в кольцевом и осевом направлении оболочки. В кольцевом направлении прочность в 3 раза выше прочности в направлении образующей, модуль упругости в кольцевом направлении в 2 раза превышает модуль упругости в направлении образующей;5. Технология изготовления стеклопластиковых конструкций значительно влияет на анизотропию свойств стеклопластика по причине неоднородности укладки волокон армирования в кольцевом и осевом направлениях;
6. Для исследования НДС и устойчивости оболочек, намотанных ровингом, на базе конечно-элементного пакета ANSYS была разработана расчетная модель стеклопластиковой трехслойной секции дымовой трубы с гладкой сэндвичевой структурой стенки. Расчеты показали, что из-за разности температур наружного и внутреннего слоя, трехслойная конструкция стенки деформируется неравномерно, что приводит к образованию опасных растягивающих напряжений и кольцевых трещин в наружном слое. Полученные численные результаты осевых напряжений наружного слоя оболочки составляют 20,5 МПа, что превышает расчетное сопротивление осевому растяжению, полученное при лабораторном испытании и равное 19,0 МПа;
4. Изменение формы поверхности оболочки в виде ее гофрирования приводит к существенному изменению жесткостных характеристик оболочки и, следовательно, всей картины напряженно- деформированного состояния конструкций. Как показал анализ работ, посвященных профилированию поверхности оболочек, в настоящее время достаточно глубоко изучены оболочки с гладкой поверхностью стенки, а область параметров волнообразования поверхности оболочечных конструкций недостаточно исследована;
5. Для рассмотренных оболочек, подобранных для предэксплуатационной стадии, ограничениями, определяющими конструктивные параметры, будет являться условие устойчивости в осевом направлении. Внутренние обшивки оболочек, находящиеся под воздействием высокой температуры в основном нагружены сжимающими напряжениями, а наружные, эксплуатируемые при низкой температуре - растягивающими.Плавный пологий профиль гофра позволяет сохранить значительную часть осевой жесткости при одновременном увеличении кольцевой. Значение осевых напряжений в гофрированной наружной стенке оболочки (8,82 МПа) меньше в 2,3 раза по сравнению со значениями в гладкой стенке (20,5 МПа);
6. Правильно подобранные параметры гофрирования при проектировании позволяют наилучшим образом управлять конструкционной анизотропией оболочек. Установлено, что рациональными параметрами гофрирования крупногабаритных оболочек, позволяющих максимально использовать подкрепляющий эффект кольцевых усилий и одновременно повышать жесткость оболочек в кольцевом направлении, являются относительная глубина гофрирования l/h = 0,25 и относительная длина l/R = 0,1...0,15. Исследования раздела 4 указывают на то, что наиболее целесообразная длина волны гофры составляет 200 мм, а глубина волны - 30 мм;
7. Для расширения применения стеклопластиковых оболочечных конструкций необходимо снижение их материалоемкости. С этой точки зрения целесообразно применять подкрепленные оболочечные конструкции, используя в качестве подкрепления формоизменение поверхности в виде ее кольцевого гофрирования;
8. Разработан способ намотки гофрированных оболочек, позволяющий в условиях технологических ограничений изготавливать оболочечные конструкции периодической формы. Способ заключается в укладке ребер из упругоподатливого утеплителя, который служит основой для гофрирования оболочки. Установка ребер происходит согласно рассчитанным параметрам волны гофры, тем самым формируя периодический профиль стенки.
1. Стеклопластик является эффективным материалом для оболочечных конструкций, работающих в непосредственном контакте с агрессивными средами. Широкое внедрение его в современных производствах, связанных с применением физически активных процессов сдерживается его высокой стоимостью и недостатком данных по механическим характеристикам, что вызывает необходимость проведения экспериментальных и теоретических исследований стеклопластика. Вышесказанное определило актуальность исследования свойств стеклопластика в оболочках;
2. Анализ условий эксплуатации и характера повреждений стеклопластиковых оболочек показал, что от теплового воздействия преимущественно повреждаются оболочки с «сэндвичевой» структурой стенки. Разрушение диагностируется в наружном слое в виде кольцевой трещины, внутренний слой остается без повреждений;
3. Большую часть повреждений наружного слоя получают стеклопластиковые конструкции изготовленные по технологии мокрой намотки стеклоровингом (ниткой);
4. Результаты лабораторных исследований прочностных свойств образцов стеклопластика изготовленного методом мокрой намотки стеклоровингом (ниткой) показали значительную анизотропию прочностных свойств в кольцевом и осевом направлении оболочки. В кольцевом направлении прочность в 3 раза выше прочности в направлении образующей, модуль упругости в кольцевом направлении в 2 раза превышает модуль упругости в направлении образующей;5. Технология изготовления стеклопластиковых конструкций значительно влияет на анизотропию свойств стеклопластика по причине неоднородности укладки волокон армирования в кольцевом и осевом направлениях;
6. Для исследования НДС и устойчивости оболочек, намотанных ровингом, на базе конечно-элементного пакета ANSYS была разработана расчетная модель стеклопластиковой трехслойной секции дымовой трубы с гладкой сэндвичевой структурой стенки. Расчеты показали, что из-за разности температур наружного и внутреннего слоя, трехслойная конструкция стенки деформируется неравномерно, что приводит к образованию опасных растягивающих напряжений и кольцевых трещин в наружном слое. Полученные численные результаты осевых напряжений наружного слоя оболочки составляют 20,5 МПа, что превышает расчетное сопротивление осевому растяжению, полученное при лабораторном испытании и равное 19,0 МПа;
4. Изменение формы поверхности оболочки в виде ее гофрирования приводит к существенному изменению жесткостных характеристик оболочки и, следовательно, всей картины напряженно- деформированного состояния конструкций. Как показал анализ работ, посвященных профилированию поверхности оболочек, в настоящее время достаточно глубоко изучены оболочки с гладкой поверхностью стенки, а область параметров волнообразования поверхности оболочечных конструкций недостаточно исследована;
5. Для рассмотренных оболочек, подобранных для предэксплуатационной стадии, ограничениями, определяющими конструктивные параметры, будет являться условие устойчивости в осевом направлении. Внутренние обшивки оболочек, находящиеся под воздействием высокой температуры в основном нагружены сжимающими напряжениями, а наружные, эксплуатируемые при низкой температуре - растягивающими.Плавный пологий профиль гофра позволяет сохранить значительную часть осевой жесткости при одновременном увеличении кольцевой. Значение осевых напряжений в гофрированной наружной стенке оболочки (8,82 МПа) меньше в 2,3 раза по сравнению со значениями в гладкой стенке (20,5 МПа);
6. Правильно подобранные параметры гофрирования при проектировании позволяют наилучшим образом управлять конструкционной анизотропией оболочек. Установлено, что рациональными параметрами гофрирования крупногабаритных оболочек, позволяющих максимально использовать подкрепляющий эффект кольцевых усилий и одновременно повышать жесткость оболочек в кольцевом направлении, являются относительная глубина гофрирования l/h = 0,25 и относительная длина l/R = 0,1...0,15. Исследования раздела 4 указывают на то, что наиболее целесообразная длина волны гофры составляет 200 мм, а глубина волны - 30 мм;
7. Для расширения применения стеклопластиковых оболочечных конструкций необходимо снижение их материалоемкости. С этой точки зрения целесообразно применять подкрепленные оболочечные конструкции, используя в качестве подкрепления формоизменение поверхности в виде ее кольцевого гофрирования;
8. Разработан способ намотки гофрированных оболочек, позволяющий в условиях технологических ограничений изготавливать оболочечные конструкции периодической формы. Способ заключается в укладке ребер из упругоподатливого утеплителя, который служит основой для гофрирования оболочки. Установка ребер происходит согласно рассчитанным параметрам волны гофры, тем самым формируя периодический профиль стенки.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.