Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Вычислительная техника и компьютерная графика»

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

Заведующий кафедрой

____Ю.В. Пономарчук

«____»________20___г.

ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ УГЛОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ В

ТРУБОПРОВОДЕ

Выпускная квалификационная работа

ВКР 09.03.01.ИВТ.13.00.943 – ПЗ

Студент 943 гр.­­­___________________________________________А.П. Сизова

Руководитель

д.ф.-м.н., профессор_______________________________________О.П. Ткаченко

Нормоконтроль

к.т.н., доцент _____________________________________________Е.В. Буняева

Хабаровск 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1 Методика анализа 7

1.1 Постановка задачи 7

1.2 Компоненты программы, необходимые для работы 8

1.3 Методика построения 8

1.4 Компонент Flow Simulation 8

1.5 Компонент Simulation 11

1.6 Применение метода конечных элементов 11

2 Построение модели и анализ 13

2.1 Построение 3D модели 13

2.2 Моделирование движения потока 14

2.2.1 Задание общих параметров потока 14

2.2.2 Задание граничных условий 18

2.2.3 Запуск расчета и построение линий тока 19

2.3 Распределение давления жидкости 20

2.4 Анализ взаимодействия трубопровода с потоком жидкости 25

2.4.1 Анализ напряженно-деформированного состояния 29

2.4.2 Критические значения 40

2.4.3 Техническое обоснование 46

Заключение 47

Список использованных источников 49

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время инженерам и исследователям приходится сталкиваться со многими задачами, которые требуют больших затрат на эксперименты или которые не возможно решить аналитически. Существующие пакеты программ систем автоматизированного проектирования, существенно расширяющие круг задач, которые доступны анализу. Результаты, которые получены с помощью этих методов широко применяются во многих областях науки и техники [19].

Задача выпускной квалификационной работы (ВКР) заключается в имитировании ситуации движения потока жидкости по угловому сегменту трубопровода с небольшим внутренним радиусом по отношению к длине прямолинейных его сегментов, которые стыкуются под прямым углом друг относительно друга. Предполагается также рассмотрение зависимости распределения и величины напряжений в зависимости от скорости бегущего потока жидкости и длины прямолинейных участков трубопровода.

Для достижения поставленной задачи будет необходимо решить следующие несколько подзадач, на каждую из которых будет выделен отдельный пункт ВКР, а именно:

1. построение трехмерной модели исследуемого участка трубопровода;

2. моделирование условий течения жидкостного потока и построение его траектории;

3. прочностный расчет твердого тела с приложенными к нему нагрузками, создаваемыми потоком;

4. анализ полученных результатов.

Важным является упомянуть, что для решения поставленных подзадач в процессе работы над ВКР применялся программный комплекс САПР SolidWorks. Так как этот комплекс модулей, предназначенных для твердотельного моделирования и инженерного анализа имеет широкое распространение по всему миру, из чего следует заключить выгодность изучения и использования именно этого продукта для решения задачи ВКР.

Теоретическая часть ВКР предполагает также изучение таких модулей SolidWorks как SolidWorks Simulation и SolidWorks Flow Simulation. Пособий с подробным и последовательным описанием возможностей этих модулей и принципами работы с ними найти так и не удалось, как следствие, их изучение проводилось эмпирическим путем.

Любая конструкторская задача является задачей оптимального проектирования. На ранних этапах развития науки о прочности такая задача решалась простым перебором вариантов. Следует признать, что и современные методы оптимизации остаются дорогостоящими. Таким образом, сроки проектирования и доводки новых изделий по-прежнему главным образом зависят от эффективности решающего блока используемого программного комплекса [7].

В ВКР рассматривается несколько модификаций поставленной задачи: с использованием различных скоростей протекания жидкости внутри построенной модели трубопровода, включая также предельный случай (100 м/с), и с модификациями длин стыковых элементов модели. Такой подход позволяет проследить влияние вышеперечисленных параметров (скорость потока жидкости, длина стыкуемых прямолинейных участков) на величину напряжения в сегменте с изломом поверхности.

1. МЕТОДИКА АНАЛИЗА ЗАДАЧИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА С ПОТОКОМ ЖИДКОСТИ В ПАКЕТЕ SOLID WORKS

Пакет SolidWorks представляет собой среду твердотельного моделирования, но, благодаря своим дополнительным компонентам, он значительно может расширить возможности работающего с ним инженера. Конкретно в данной работе речь пойдет о таком компоненте SolidWorks как SolidWorks Flow Simulation, который позволяет моделировать движение воздушных и жидкостных потоков и SolidWorks Simulation, который позволяет проследить влияние этих потоков на твердотельную модель.

1. Постановка задачи взаимодействия потока жидкости с трубопроводом

По заданию ВКР требуется рассчитать распределение напряжений в сегменте трубопровода с изломом поверхности – углового стыка труб. Предполагается рассмотрение нескольких случаев этой задачи с различными модификациями самой модели (удлинении стыкуемых отрезков труб) и при изменении параметров движения жидкости по участку трубопровода (изменении скорости на входе).

Для всех моделей справедливы следующие параметры: толщина стенки твердого тела – 9,5 мм, внутренний диаметр принимается равным у обоих стыкуемых отрезков трубопровода и равняется 299 мм (трубы таких диаметров применяются в промысловых системах сбора сырой нефти и городских водопроводах), угол между стыкуемыми трубами принимается равным 90º.

Изменяемыми величинами, как уже было сказано выше, будут приниматься скорость течения потока жидкости и длины стыкуемых отрезков твердого тела.

Результаты вычислений всех модификаций задачи будут подробно рассмотрены в пункте 2.4.1 «Анализ распределения напряжений».

1. Компоненты программы, необходимые для работы

Для решения поставленной задачи средствами комплекса САПР SolidWorks, потребуются конкретно два его компонента SolidWorks Flow Simulation и SolidWorks Simulation, а также режимы эскизов для построения 3D модели.

1. Методика построения твердотельной 3D модели трубы

Для проведения статического анализа SolidWorks и расчета напряжений в месте излома поверхности будет построена 3D модель участка трубы как цельная деталь для этого в режиме эскиза будет построен каркас модели в виде двух направляющих прямых, расположенных под прямым углом друг к другу и эскиз образующей – окружности внутреннего диаметра трубы. С помощью специального инструмента SolidWorks Поверхность по траектории на основе созданных эскизов строится твердотельная модель, а толщена стенки задается с помощью инструмента Придать толщину. Подробнее процесс построение 3D модели описан в пункте 2.1 с приложением иллюстраций.

1. Компонент Flow Simulation для анализа потока жидкости

SolidWorks Flow Simulation позволяет проводить анализ теплообмена, а именно:

• расчет теплового потока вблизи адиабатных стенок или в твердотельных телах;

• указание различных типов источников тепла;

• назначение моделям различных твердотельных материалов, которые хранятся в инженерной базе данных;

• определение собственных материалов путем назначения им значений для физических свойств, таких как теплопроводность, теплоемкость и так далее;

• расчет теплоты излучения. Инженерная база данных содержит излучающие поверхности, такие как стенка черного тела, стенка белого тела, серое тело с произвольным альбедо, а также широкий спектр поверхностей реальных материалов.

В SolidWorks Flow Simulation также позволяет проводить целый ряд раз различного вида анализов жидкости и типов потоков, такие как:

• анализ потока до десяти жидкостей различных типов (жидкости, газы/пар, реальные газы, вязкопластичные жидкости, а также сжимаемые жидкости). База данных содержит множество жидкостей с определенными свойствами;

• анализ проблемы с несколькими жидкостями различного типа при условии разделения областей с различными жидкостями друг от друга с помощью подобластей жидкости;

• анализ взаимного растворения жидкостей. Смешивать можно только жидкости одного типа.

Перед запуском расчета Flow Simulation предлагает дополнительные настройки. Чтобы ускорить расчет, установите значения начальных условий, близкие к предполагаемым окончательным параметрам.

Такие как исходные параметры жидкости, начальная температура и исходные параметры сетки.

Исходные параметры жидкости можно задать глобально, при работе со сборкой их можно задавать локально для узла или отдельной детали.

Это следующие параметры:

• температура;

• сжатие;

• скорость потока;

• состав жидкости.

Параметр начальной температуры подразумевает под собой задание начальной температуры твердого тела.

Исходные параметры сетки позволяют настроить дополнительные параметры, которые управляют способом разрешения контакта твердой и жидкой фаз, искривленных поверхностей, узких каналов, небольших твердотельных элементов и т.д. с помощью анализа. Эти параметры можно применить глобально, а также к сборкам, узлу сборки или отдельной детали.

SolidWorks Flow Simulation позволяет настраивать следующие граничные условия:

• масса и объем;

• объемный расход;

• скорость;

• число Маха;

• статическое давление;

• общее давление;

• давление среды;

• давление на стенке;

• профиль скорости потока, линия завихрения или вектор;

• температура;

• состав (для сборок);

• параметры турбулентности.

Flow Simulation включает следующие функции для просмотра результатов:

• эпюры;

• анимации;

• исследование частиц;

• эпюры трехмерных профилей;

• траектории потока;

• отчеты;

• эпюры вырезов;

• цели;

• параметры точки, поверхности и объема;

• эпюры поверхностей;

• изометрические поверхности;

• эпюры XY.

Кроме того, можно получить окончательное значение любого физического параметра, включая величину потока, падение давления и т.д., на заданный момент или максимальное, минимальное, среднее или средневзвешенное значение для поверхности или области объема [1].

1. Компонент Simulation для анализа напряженно-деформированного состояния твердого тела

Непосредственно для расчета твердого тела в SolidWorks используется компонент Simulation. SolidWorks Simulation – это система анализа конструкций, полностью интегрированная с SolidWorks. SolidWorks Simulation обеспечивает анализ напряжения, потери устойчивости, оптимизации, а также частотный и термический анализ на одном экране. Оснащенный быстрыми решающими программами, SolidWorks Simulation дает возможность быстро решать большие задачи, используя ваш персональный компьютер. SolidWorks Simulation поставляется несколькими пакетами для удовлетворения ваших аналитических потребностей.

Возможность анализа модели как детали в рабочих условиях – одно из главных преимуществ инструмента проектирования SolidWorks. Знание основ simulation поможет инженеру спрогнозировать поведение его детали при реальных нагрузках, а главное, поможет снижать массу изделия без потери прочности.

SolidWorks Simulation укорачивает время сбыта, экономя время и усилия при поиске оптимального решения [1].

1. Применение метода конечных элементов для задачи о трубе со стыком

SolidWorks Simulation использует метод конечных элементов (МКЭ). Расчет тонких оболочек (а в ВКР присутствует случай именно тонкой оболочки, так как из параметров модели следует что ) является одной из наиболее сложных задач, решаемых с применением МКЭ. Здесь трудности определяются не только выбором аппроксимирующих функций для полей переменных внутри элемента, но и аппроксимацией поверхности оболочки, либо точным учетом ее геометрических параметров. Поэтому выбор (или разработка) моделей элементов, в наибольшей мере учитывающих отмеченные особенности, во многом определяет точность расчетов и эффективность практической реализации МКЭ.

МКЭ сводится к разбиению конструкции на отдельные части более простой структуры, у которых механическое поведение можно легко описать, а затем с помощью условий сплошности и равновесия снова объединить их в единую конструкцию.

Метод конечных элементов следует применять с известной осторожностью: некритическое использование этого метода для решения задач на современных ЭВМ с их огромными возможностями переработки числовой информации приводит к широко распространенному мнению, что все задачи разрешимы, если в распоряжении исследователя имеется достаточно мощный компьютер и длительное время. В общем случае это неверно: перед тем как начать вычисления, часто оказывается необходимым глубоко понять механику, лежащую в основе рассматриваемой задачи. Кроме того, вопросы, связанные с повышением эффективности программных комплексов с точки зрения экономии времени и привлекаемых ресурсов ЭВМ всегда останутся актуальными.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов ВКР