Инженерный анализ несущей способности и ресурса трубчатых элементов конструкций при нестационарном термомеханическом нагружении, страница 2

Для успешного достижения поставленных задач необходимонадежноеопределениеоценкиресурсаконструкций,какнаэтапепроектирования, 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.Актуальность указанной проблемы определила выбор направленияисследований и основное содержание работы.7Целью работы является разработка метода и алгоритма инженерногоанализа несущей способности трубчатых элементов конструкций, численнаяреализация разработанного метода с помощью разработки математического ипрограммного обеспечения для ЭВМ и последующий расчет ресурсаэксплуатации аппарата.

Для реализации поставленной цели необходиморешить следующие задачи:- аналитический обзор печатных изданий и экспериментальных работ,касающихся вопросов малоцикловой усталости в целом и трубчатыхэлементов в частности;разработка-деформированияматематическойтрубчатогомоделиэлементаупругопластическогоконструкциинаосновематематической модели упругопластического деформирования материала иматематической модели кинетики процесса накопления повреждений;- разработка метода и алгоритма расчета прочности трубчатыхэлементовтехнологическихаппаратов,наосноверазработаннойматематической модели упругопластического деформирования трубчатогоэлемента;- численная реализация метода расчета величины накопленныхповреждений и ресурса трубчатых элементов.Методы и средства исследования: при решении поставленных задачиспользовались средства физического и математического моделирования,теория неизотермического пластического течения, технологии разработкипрограммного обеспечения.Достоверностьиспользованырезультатов:известныеопределяетсятеоретическиетем,чтоположениявработемеханикидеформируемого твердого тела.Научная новизна: предложенамодельупругопластическоготрубчатого элемента конструкции;деформирования8 разработан метод и алгоритм расчета прогнозируемых значенийресурсатрубчатыхэлементовпринестационарномтермомеханическом нагружении;Практическую ценность представляют метод и алгоритм инженерногоанализа ресурса трубчатых элементов конструкций, реализованные в видематематического и программного обеспечения для ЭВМ, результатыисследований характерных особенностей работы трубопроводов и трубчатыхэлементов теплообменников.Автор защищает:Математическуюмодельупругопластическогодеформированиятрубчатого элементаМетод и алгоритм автоматизированного расчета ресурса трубчатыхэлементов конструкций и величины накопленного поврежденияРезультаты исследования ресурса трубопроводов и трубчатых элементовтеплообменников в широком диапазоне параметров нагружения.Апробация работы и научные публикации.

Основные положения ирезультаты диссертационной работы докладывались и обсуждались нароссийских и международных конференциях: конференции студентов имолодых ученых МГУИЭ в г. Москве в 2010 г; V международной научнопрактическойконференции«Информационныеикоммуникационныетехнологии в образовании, науке и производстве» в г. Протвино в 2011 г.; IХмеждународнойнаучно-практическойконференции«Экологическиепроблемы индустриальных мегаполисов» в г.

Москве в 2012 г.; XXVмеждународной научной конференции «Математические методы в технике итехнологиях ММТТ-25» в г. Саратове в 2012 г.; международной научнойконференции «Технические науки и современное производство» наКанарских островах, г. Тенерифе в 2013 г.; XXVI международной научнойконференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-26»в г.

Нижний Новгород в 2013 г.9Публикации: Основные результаты диссертационной работыопубликованы в 12 печатных работах из них 3 в рецензированных журналах,рекомендованных ВАК. Получено свидетельство о государственнойрегистрации программы для ЭВМСтруктура и объем диссертации:Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, спискалитературы и приложений.В первой главе дано обоснование выбора объекта и направленияисследований, приводится литературный обзор печатных работ по тематикедиссертации.Длительный срок, переходные и форсированные режимы эксплуатацииоборудования, периодические остановки и последующие пуски агрегатовопределяютповторныетемпературногополя,воздействиявызываютвмеханическойрядеслучаевнагрузкиициклическоеупругопластическое деформирование элементов конструкций и приводят кнакоплению усталостных повреждений.

Очень часто поврежденные зоныявляются недоступными для обследования с помощью неразрушающихсредств контроля. Образование предельных состояний по возникновениютрещин или по окончательному разрушению становится возможным приограниченном числе циклов нагружения. В таких условиях традиционныеметодырасчетовнапрочностьоказываютсянедостаточными.Дляобоснованной оценки сопротивления элементов конструкций малоцикловомуразрушениюнеобходимыметоды,предусматривающиедетальноеипоследовательное во времени исследование кинетики упругопластическогодеформирования изделий. Эффективные решения задач в такой постановкемогут быть построены на основе теорий неизотермического пластическоготечения с учетом истории нагружения и изменения механических свойствконструкционного материала.

Применение ЭВМ для решения такого родазадач значительно экономит время, затрачиваемое на исследования. При10изучении научно-технической литературы установлено отсутствие научныхтрудов, касающихся расчетов трубчатых элементов конструкций прималоцикловом термомеханическом нагружении.По итогам проведенного литературного обзора с учетом сведений обобъекте сформулированы задачи исследованияВо второй главе приведен анализ закономерностей упругопластическойдеформации материалов трубчатых элементов конструкций, рассматриваетсяявление малоцикловой усталости.Опытиспользованиятеплообменныхаппаратовпоказывает,чтоисчерпание ресурса прочности материала конструкций имеет локальныйхарактер.

Ввиду локальности процессов повреждения ресурс конструктивныхэлементов по существу определяется ресурсом их опасных зон снаибольшими темпами процессов деградации, параметры которых могутсущественно отличаться из-за различия конструктивных особенностей,эксплуатационныхусловий,технологииизготовления,свойствконструкционных материалов. Для инженерных объектов, работающих вусловиях нестационарного термосилового нагружения при температурах невыше 300-400 С, основным доминирующим механизмом, определяющимресурсконструктивныхузлов,являетсяусталость.Привысокойинтенсивности приложенных нагрузок и при их нестационарности ресурсматериаланачинаетопределятьсяпроцессамизнакопеременногопластического деформирования, что приводит к развитию малоцикловойусталости.На основе теории неизотермического течения с трансляционныманизотропным упрочнением предложена математическая модель кинетикипроцесса накопления повреждений при нестационарном термомеханическомвоздействии.Третьяглавапосвященаразработкеалгоритма расчетаресурсатрубчатых элементов конструкции и величины накопленного повреждения.11При построении алгоритма расчета программу нагружения разбиваем на рядэтапов,величина которых определяется характером изменения силовойнагрузки и температуры.

Модель изделия представили в виде совокупностиузловых точек, количество и расположение которых зависит от характерныхособенностей конструкциии требуемой точности расчета.Решениевыполняем последовательно для каждой узловой точки, учитывая изменениепараметров в процессе развития деформации.Численнаяреализацияразработанногометодаиалгоритмакомпьютерного анализа упругопластического деформирования трубчатыхэлементов конструкций осуществлена в виде программного обеспечения.Программныйкомплекс«LifeCycle»имеетмодульнуюструктуру,функционирует в операционных системах Windows XP/7/8, удовлетворяетвсем основным критериям качества (наличие необходимых и достаточныхвычислительных процедур, дружественный интерфейс, удобство вводаинформации, наличие графического инструментария для визуализациирезультатоврасчета,поддержкасозданияотчетов,расширяемость).Программный продукт предназначен для применения в отраслевых САПР иERP-системах, допускает автономное использование.

Позволяет выполнятьчисленныйанализ несущейспособности, ирасполагаемого ресурсатрубчатых элементов, прогнозировать долговечность изделий в условияхнестационарного силового и температурного воздействия, осуществлятьмониторинг остаточного ресурса оборудования в режиме on-line.В четвертой главе приведены результаты численного исследованияресурса трубчатых элементов конструкций при различных режимахнагружения.Вычислениявыполнялисприменениемпрограммногокомплекса Life Cycle.Методами численного эксперимента исследованы особенности кинетикиупругопластического деформирования трубчатых элементов конструкций,12изученовлияниепоследовательностирассматриваемых элементов оборудования.нагружениянаресурс13Глава 1 ВЫБОР ОБЪЕКТА И НАПРАВЛЕНИЯИССЛЕДОВАНИЙ1.1 Объект исследований.1.1.1 Обоснование выбора объекта исследованийБезопасность,машиностроениянадежностьвизначительнойресурсстепениизделийсовременногоопределяютсякачествомпроектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта трубопроводныхсистемитрубчатыхэлементов,являющихсянеотъемлемойчастьюбольшинства машин и агрегатов.Аварийныеситуации,связанныесотказамитехнологическогооборудования нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств,могут послужить причиной серьезных экологических катастроф.