Технології TDMS, CADUser
Завдання розрахунку міцності та жорсткості вузлів врізки часто зустрічаються при проектуванні ємнісного обладнання та трубопровідних обв'язок, а також під час діагностики в процесі експлуатації. Зазвичай потрібно визначити навантаження, що допускаються, на вузол врізання або зробити перевірочний розрахунок при заданих навантаженнях.
Вітчизняна нормативна база, що дозволяє проводити такі розрахунки, на сьогоднішній день практично відсутня. міститься лише методика розрахунку зміцнення отвору. РД 26.260.09-92 не отримав широкого практичного застосування через обмеження, що накладаються на розрахункову модель, та низьку точність розрахунку. Існують зарубіжні методики (наприклад, WRC 107/297), однак і з їх допомогою можна розраховувати лише ортогональні врізання без урахування накладних кілець. У решті випадків повинні використовуватися спеціальні методи.
Зазвичай передбачається використовувати метод кінцевих елементів (МКЕ), який дозволяє проводити аналіз напружено деформованого стану (ПДВ) довільних конструкцій. Недоліки такого підходу очевидні: складність побудови кінцево-елементної моделі, вибору методу розрахунку та оцінки отриманих результатів, високі вимоги до кваліфікації фахівця, який проводить розрахунок, а також вартість спеціалізованого програмного забезпечення. Як правило, це призводить до необхідності звертатися до спеціалізованої організації для виконання розрахунку.
За допомогою «Штуцер-МКЕ» можна розраховувати прохідні та непрохідні, прямі та похилі штуцери з різними видами зміцнення, врізані в циліндричні, конічні, еліптичні та плоскі елементи, враховуючи при цьому вплив агресивного середовища. Крім розрахунку при заданих параметрах програма формує таблиці навантажень на вузол врізки, що допускаються.
Додатково існує можливість проводити розрахунки міцності WRC 107/297 і зміцнення отвору по .
Що там усередині?
Розрахункова модель
При розрахунку напружено-деформованого стану вузла врізання методом кінцевих елементів програма використовує лінійний 4-вузловий чотирикутний оболонковий елемент, аналогічний елементу SHELL43 програми ANSYS.
Розрахункові значення навантажень прикладаються у центрі кришки штуцера. Кришка є плоским диском високої жорсткості. Значення і напрями сил і моментів, що задаються, відповідають схемам, наведеним на рис. 1.
Оцінка отриманих результатів ПДВ у районі врізання проводиться автоматично. При цьому місцева напруга відокремлена від «пікових», які розташовуються в дуже малій зоні концентраторів напруг, швидко згасають і на оцінку міцності для статичних розрахунків конструкцій із пластичних матеріалів практично не впливають. У той самий час для локальних мембранних і згинальних напруг існує нормативна база для оцінки їх граничних величин [2].
Для розмежування зон «пікової» та локальної напруги використовується підхід, аналогічний тому, який застосовує відома компанія Paulin Research Group (розробник програм NozzlePRO, FEPipe та ін.). Кінцеві елементи, що примикають безпосередньо до лінії перетину патрубка і обічайки (елементи «зварювання»), мають змінну товщину. При визначенні товщини враховуються мінімальні розміри зварного шва, товщини обічайки та патрубка (рис. 2). При визначенні товщини елементів «зварювання» враховується необхідність забезпечити рівність жорсткостей зварного шва, обічайки та патрубка в зоні приварювання.
Максимальні значення місцевої напруги визначаються для елементів, що безпосередньо примикають до елементів «зварювання».Напруги для самих елементів зварювання не визначаються і не виводяться.
Рівні кінцево-елементного розбиття
На отримані результати впливають якість кінцево-елементної розбивки і розміри кінцевих елементів (КЕ) — насамперед безпосередньо в місці врізання патрубка в обічайку, де має місце високий градієнт напруг. Зі збільшенням кількості елементів (рівня розбивки), що описують місце врізання, зростає точність щодо розподілу напруг (рис. 3).
У програмі "Штуцер-МКЕ" передбачена можливість розрахунку з використанням одного з п'яти рівнів розбивки. Перший рівень відповідає розбивці з найменшою кількістю елементів, що дозволяє проводити розрахунки з мінімальними витратами оперативної пам'яті комп'ютера та часу. Використання п'ятого рівня розбивки дозволяє розраховувати врізання з максимальною кількістю елементів. Такий розрахунок дає точніші результати, але й вимагає великих витрат оперативної пам'яті та часу рахунку.
На точність отриманих напруг також впливають тип врізання (наявність накладного кільця, кут нахилу для косої врізки та ін), різниця товщин обічайки та патрубка, товщина зварного шва, крайовий ефект
Щоб оцінити вплив перерахованих чинників на точність розрахунку, було проведено низку порівняльних розрахунків щодо різноманітних видів врізок. Оцінка результатів розрахунку проводилася за величиною відносної точності різних видів навантаження.
Під відносною точністю розуміється відношення отриманих максимальних значень напруги п'ятого і поточного рівнів розбивки. При цьому відносна точність рівня розбивки п'ятого прийнята рівною 1,05. На рис. 4 представлено вплив рівнів розбивки вузла радіальної врізки штуцера в циліндричну обичайку на відноснуточність отриманих значень максимальної напруги.
Як видно з малюнка, при зменшенні розміру (збільшенні числа) КЕ отримані значення максимальної напруги зростають. При цьому розмір КЕ має максимальний вплив на напругу від дії сил і моментів, мінімальний - від тиску. При використанні накладного кільця або зі збільшенням товщини обічайки щодо товщини патрубка вплив розміру КЕ також збільшується.
Щоб відбити рівень впливу конечно-элементной розбивки на отримані результати, вводяться звані коефіцієнти розбивки . Їхні значення отримані на підставі порівняльних розрахунків, виконаних для різних вузлів врізок. Для кожного рівня розбивки вибрано максимальні значення величин відносної точності.
Коефіцієнти розбивки використовуються як додатковий запас міцності при визначенні напруг, що допускаються, для відповідних рівнів розбивки. Прийняті коефіцієнти розбивки залежно від рівня наведені у таблиці 1.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1,3 | 1,2 | 1,14 | 1,09 | 1,05 |
Навантаження, що допускаються на штуцер
При визначенні навантаження, що допускається, її одинична величина множиться на отриманий мінімальний запас міцності. Підсумкові значення формують таблицю індивідуальних навантажень, що допускаються (табл. 2).
| Fx Нм | Fy Нм | Fz Нм | Mx Нм | My Нм | Mz Нм | p МПа |
Далі визначаються допустимі навантаження на штуцер за відсутності тиску. У цьому випадку допустимі навантаження визначаються за умови, що приїх одночасної дії на штуцер і відсутності тиску максимальна напруга не перевищує допустимих. Практика розрахунків показує, що ця умова виконується при величині навантажень, що дорівнює 1 ⁄3 від індивідуальних навантажень, що допускаються.
При дії розрахункового тиску навантаження, що допускаються, додатково зменшуються на величину
, де p – розрахунковий тиск; [ p ] - Допустима величина тиску, яка визначається з таблиці 2. Коефіцієнт 0,87 враховує, що при дії тиску з навантаженнями місцеві мембранні напруги не повинні перевищувати 1,5 [ σ ] у той час як при дії тільки тиску - 1,3 [σ] [2].
Отримані навантаження формують таблицю навантажень на штуцер при розрахунковому тиску. Ця таблиця може бути рекомендована при призначенні допустимих навантажень на штуцер при розрахунках міцності трубопровідних обв'язок судини (апарату).
Зазначимо, що навантаження, що допускаються, при розрахунковому тиску носять консервативний характер. Як правило, при їх одноразовому додатку з урахуванням тиску максимальна напруга становить 50-80% від величин, що допускаються. Тому для висновку про працездатність врізання в ситуації, коли навантаження перевищують допустимі величини, необхідний додатковий розрахунок з отриманими навантаженнями.
Жорсткість врізання
Жорсткість врізання визначається як відношення сил, що прикладаються (моментів) до отриманих відповідних переміщень (кутів) (табл. 3).
| Cx | Cy | Cz | MCx | MCy | MCz |
Інтерфейс користувача
Інтерфейс програми простий та інтуїтивно зрозумілий. Для розрахунку необхідно вибрати вид несучого елемента, розрахункову схему штуцера, задатигеометричні розміри та навантаження на вузол врізання (рис. 5). Після чого натиснути єдину кнопку - Розрахунок.
Результати розрахунку включають ілюстрації розподілу різних видів напруг, висновок про працездатність при заданих навантаженнях, таблиці навантажень, що допускаються (рис. 6).