Инженерный анализ несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций при нестационарном термомеханическом нагружении

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования«Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»На правах рукописиСТЕПАКОВА МАРИЯ ОЛЕГОВНАИнженерный анализ несущей способности и ресурсатрубчатых элементов конструкций при нестационарномтермомеханическом нагружении05.02.13 – машины, агрегаты и процессы(химическая промышленность)ДИССЕРТАЦИЯНА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТАТЕХНИЧЕСКИХ НАУКНаучный руководитель:доктор технических наук,профессор Луганцев Л.Д.Москва20152ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ..............................................................................................................

4Глава 1 ВЫБОР ОБЪЕКТА И НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ............ 131.1Объект исследований. .............................................................................. 131.1.1 Обоснование выбора объекта исследований ...................................... 131.1.2 Теплообменные аппараты [15-21] ....................................................... 151.1.3 Трубчатые выпарные аппараты [20] ................................................... 281.1.4 Рекуператоры для промышленных печей [51] ................................... 411.1.5 Применяемые материалы и их химически состав ............................. 621.1.6 Нормативы на ремонт оборудования [52] .......................................... 641.1.7 Влияние коррозии .................................................................................

651.2Выбор направления исследования. ......................................................... 67Выводы по главе и формулировка задач научного исследования ................... 76Глава 2 МАЛОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВКОНСТРУКЦИЙ ................................................................................................... 782.1 Основные положения теории знакопеременной циклическойтермопластичности [8, 33] ................................................................................ 782.2. Математическая модель пластического течения материала принестационарном термомеханическом нагружении [18, 27, 38-40, 59] .........

842.3 Математическая модель кинетики процесса накопленияповреждений [18, 32, 38-40, 59]........................................................................ 91ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ .......................................................................................

96Глава 3 МЕТОД И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ВЕЛИЧИНЫ НАКОПЛЕННЫХПОВРЕЖДЕНИЙ И РЕСУРСА ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВКОНСТРУКЦИЙ ................................................................................................... 973.1Постановка задачи .................................................................................... 973.2Метод решения ......................................................................................... 983.3Алгоритм расчета ...................................................................................

10233.4Программное обеспечение метода и алгоритма расчета несущейспособности и ресурса трубчатых элементов конструкций ........................ 105Выводы по главе .............................................................................................. 106Глава 4 КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСАТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ .............................................. 1074.1Условия численного эксперимента....................................................... 1074.2Исследование скорости накопления повреждений при синхронномизменении во времени осевого усилия и внутреннего давления................

1094.3Исследование скорости накопления повреждений при очередномнагружении осевым усилием и внутренним давлением. ............................. 1094.4Исследование скорости накопления повреждений при очередномнагружении внутренним давлением и осевым усилием. ............................. 110Выводы по главе .................................................................................................. 112ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................

114СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................... 115ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................ 123ПРИЛОЖЕНИЕ А. Свидетельство о государственной регистрациипрограммы для ЭВМ ........................................................................................... 124ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Листинг кода программы LifeCycle ................................. 125ПРИЛОЖЕНИЕ В. Интерфейс программы LifeCycle .....................................

1354ВВЕДЕНИЕТрубчатые элементы наиболее широко распространены в современноммашиностроении. Грануляторы, колонные и выпарные аппараты, сепараторы,нагреватели и др. имеют в своей конструкции трубку. Для кожухотрубчатыхтеплообменников и технологических трубопроводов трубчатый элементявляется основным.На производствах, предприятиях, заводах задают высокие требования кнадежностиконструкции,длительностибезаварийнойэксплуатацииотдельных её элементов. Для успешного достижения поставленных задачнеобходимо надежное определение оценки ресурса конструкций, как на этапепроектирования, так и в процессе эксплуатации конструкции. Однакоэксплуатационныеусловияработымашиностроительныхобъектовхарактеризуются многопараметрическими нестационарными воздействиями,приводящими к упругопластическим деформациям элементов конструкций идеградации начальных прочностных свойств материала, что вызываетнакопление повреждений конструкции.Опыт показывает, что повреждение материала конструкций имеетлокальный характер.

От их количества зависят прочностные свойстваконструкционныхматериалов.Впроцессеэксплуатациидефектыразвиваются, что приводит к общей деградации и, в конечном счете, квозникновению и распространению макроскопической трещины, притомресурс непосредственно зависит от параметров процесса развития дефектов.В связи с этим ресурс конструктивных элементов определяется ресурсом ихопасных зон с наибольшими темпами процессов деградации, параметрыкоторыхмогутособенностей,материалов,сильнотехнологиирежимамотличатьсяиз-заизготовления,эксплуатации.различиясвойствКаждомуконструктивныхконструкционныхрежимуэксплуатации5соответствуют свои опасные зоны с различными темпами накопленияповреждений по различным механизмам деградации. Это обстоятельствообуславливает зависимость процессов накопления повреждений в каждойзоне конструктивного узла от фактической истории эксплуатации.

Оченьчасто опасные зоны являются недоступными для обследования с помощьюнеразрушающихсредствконтроля.Постепенноразвивающиесянеконтролируемые процессы деградации могут привести к внезапнымпреждевременным отказам работоспособности конструкции. На основанииэтого актуально создание надежной модели прогнозирования ресурсаконструкции, с возможностью учитывая отклонений в режимах работы.Прогнозирование ресурса прочности материала конструкции путемрасчетного моделирования реальных процессов связано с необходимостьювыполнения решения краевой задачи, для большого числа циклов. Ручноерешении такого рода задач становится недопустимым, а упрощенные методырешения имеют большие погрешности.

В связи с этим возникает задачаразработки численных методов и эффективных алгоритмов для решениязадач с помощью современных ЭВМ.Разработка программного продукта предназначена для облегченияпроектно-вычислительной работы инженера-конструктора. Программныйпродукт производит вычисления с высокой степенью точности, которойтрудно достичь, делая аналогичные расчеты ручным методом. Такжеэкономится рабочее время инженера-конструктора, позволяя ему увеличитьсвою производительность и заработную плату.Перечисленныеразработкиметодиксоображениярасчетнойсвидетельствуютоценкиобусталостнойактуальностидолговечностиконструкций при нестационарных термомеханических режимах нагружения,которые базируются на моделировании реальных физико-механическихпроцессов, протекающих в материале конструкции с помощью ЭВМ.6Основными задачами являются разработка метода расчета повреждений,возникающихвтрубчатомэлементепринестационарномтермомеханическом нагружении, а также разработка алгоритма расчетатрубчатыхэлементовконструкцийприупругопластическомдеформировании.Общей целью данной работы является разработка программногообеспечения,предназначенногодлярасчетатрубчатыхэлементовконструкций и анализа их ресурса и долговечности.Разрабатываемыйпрограммныйкомплексинженерногоанализадолговечности и ресурса трубчатых элементов конструкций может найтиприменениенапредприятияххимической,нефтехимической,нефтеперерабатывающей и смежных отраслей промышленности.Актуальность работыАктуальность данной работы обусловлена широким распространением вконструкциях машин и аппаратов трубчатых элементов, испытывающихнестационарноепредприятиях,термомеханическоезаводахзадаютнагружение.высокиеНатребованияпроизводствах,кнадежностиконструкции, длительности безаварийной эксплуатации отдельных еёэлементов.