Общая схема рационального проектирования трубопроводов из армированных пластиков

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

В. П. Багмутов — д-р техн. наук, В. Н. Тышкевич** - канд. техн. наук,
В. Б. Светличная**- канд. техн. наук
ОБЩАЯ СХЕМА РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ
*Волгоградский государственный технический университет **Волжский политехнический институт (филиал) ВолгГТУ (e-mail: sopromat@vstu. ru)
Рассматривается общая блок-схема определения оптимальных углов армирования трубопроводов из армированных пластиков при статическом и малоцикловом нагружении. Предлагается феноменологический подход к оценке несущей способности труб.
Ключевые слова: трубопровод, армированный пластик, оптимальное армирование, прочность, статическое нагружение, малоцикловое нагружение.
We consider the general block diagram of definition of optimum corners of reinforcing of pipelines from reinforced plastics under static and low-cycle loading. We suggest the phenomenological approach to estimate the carrying capacity of pipes.
Keywords: the pipeline, the reinforced plastic, optimum reinforcing, strength, static loading, low-cycle loading.
В настоящее время в мире производится бо- применяются в различных отраслях, но их ос-
лее 200 тысяч тонн труб из армированных пла- новные достоинства — высокие удельные проч-
стиков (АП) в год [1]. Трубопроводы из АП ность и жесткость — особенно важны для кон-
струкций, критерием оптимизации которых является масса конструкции. Это, в первую очередь, — авиационная и космическая техника.
Трубопроводы представляют собой обычно многократно статически неопределимые системы нерегулярной структуры. Сложившаяся практика расчета трубопроводов на прочность включает два этапа. На первом этапе выбирают размеры поперечных сечений труб, исходя из условий производительности и прочности. На этом этапе еще неизвестны внутренние усилия, поэтому расчет ведется по внутреннему давлению. Этот этап расчета регламентирован соответствующими нормативными документами, например [2, 3]. Пространственная конфигурация обычно определяется компоновкой конструкции.
На втором этапе расчета определяют внутренние усилия, возникающие от внешних воздействий, основными из которых являются:
— давление транспортируемой среды-
— усилия температурной самокомпенсации, возникающие в трубопроводе при изменении температуры транспортируемой среды, а также при периодических остановах и пусках системы (малоцикловое нагружение) —
— сила тяжести труб с транспортируемой средой и элементами, смонтированными непосредственно на трубопроводе-
— реакции опор-
— монтажные натяги.
После определения внутренних усилий проводят анализ напряженно-деформированного состояния в наиболее опасных сечениях и оценку прочности. При невыполнении условий прочности производят местные усиления. Расчет должен быть итерационным, учитывая особенность статически неопределимых систем, заключающуюся в том, что усилия в элементах зависят от их жесткости. Таким образом, здесь реализуется схема проверочного расчета на прочность.
Для раскрытия статической неопределимости и определения напряженно-деформированного состояния трубопроводов в настоящее время используются программные комплексы на базе МКЭ в перемещениях. Одной из первых появилась программа АСТРА [4], созданная под руководством Д. Л. Костовецкого в ЦКТИ им. И. И. Ползунова. Современная версия программного комплекса АСТРА приведена в работе А. М. Белостоцкого [5]. В начале века В. Е. Селезневым, В. В. Алешиным, С. Н. Пряло-
вым создана компьютерная система «Alfargus» [6], предназначенная для проектирования газопроводов. В качестве средств моделирования напряженно-деформированного состояния трубопроводов в этой системе («решателя») может использоваться любая из коммерческих универсальных компьютерных программ, реализующая МКЭ для прочностного анализа конструкций (ANSYS, LS-DYNA, MSC. NASTRAN, ABAQUS, MSC. MARS, ALGOR, COSMOSM и др.).
Программный комплекс ASCP [7] позволяет рассчитывать трубопроводы из армированных пластиков, разрабатывать структуры пакетов слоев и схемы армирования, обладающие размеростабильными свойствами, при действии температурных напряжений и внутреннего давления.
Для определения внутренних усилий в этих программах используются стержневые конечные элементы. Расчет далее в опасных сечениях и зонах краевых эффектов производится с использованием оболочечных и объемных элементов.
И в программном комплексе ASCP не решается задача оптимального армирования трубопроводов с учетом действия всех основных нагрузок.
Для принятия решений на начальных стадиях проектирования, расчетного обоснования прочности трубопроводных систем из АП, выбора оптимальных углов армирования, геометрических параметров криволинейных участков, необходимо иметь методику проектирования трубопроводов с решением основных задач определения напряженно-деформированного состояния аналитическими, приближенными методами. Такие методики особенно необходимы для трубопроводов из АП, учитывая разнообразие видов армирующих элементов (волокна, жгуты, ленты, ткани), технологических схем намотки и укладки волокон, высокую стоимость технологического оборудования.
Предлагаемая методика проектирования трубопроводов из АП представлена общей блок-схемой (рис. 1). При вычислении упругих характеристик слоистого композиционного материала используется феноменологический подход, за основной элемент принимается ор-тотропная полоска с экспериментально определенными характеристиками жесткости [8−10].
Расчеты на прочность при статическом и малоцикловом нагружении производятся с использованием феноменологических критериев
(Завершение расчета
Рис. 1. Общая блок-схема расчета
прочности. При этом необходимые экспериментальные характеристики прочности для элементарного слоя получают на образцах-свидетелях [9, 10]. Для расчетов на малоцикловую усталость необходимы экспериментальные данные тех же характеристик прочности в зависимости от числа циклов до разрушения [11, 12].
В методике проверка прочности и определение оптимальных углов армирования производится в опасных сечениях как криволинейных, так и прямолинейных участков. Статистика разрушения трубопроводов подтверждает то, что наиболее напряженными и ответственными элементами трубопроводов являются криволинейные элементы, вследствие сложной геометрии поверхности и характерных особенностей их поведения под нагрузкой (эффект Кармана, манометрический эффект).
Для криволинейных элементов разработаны методики проведения всех инженерных расчетов: определения минимальных толщин, предельных нагрузок, коэффициентов запаса прочности, оптимальных углов армирования [12]. Общая блок-схема решения задачи расчета криволинейных участков труб представлена на рис. 2. Этот блок необходим и, как самостоятельный, для определения коэффициентов гибкости криволинейных участков перед раскрытием статической неопределимости трубопроводной системы.
Для того, чтобы учесть влияние нелинейных эффектов на напряженно-деформированное состояние криволинейный участок трубы рассматривается как часть тороидальной орто-тропной слоистой оболочки. Задача решается в перемещениях с использованием тригонометрических рядов. На характер решения и целесообразность учета граничных условий на концах трубы влияют длина и кривизна труб. Проведена классификация труб по длине и кривизне [12]. На основании численного анализа МКЭ Ю. А. Куликовым и Ю. В. Лоскутовым [13] сделан вывод о том, что технологические схемы армирования и способы укладки слоев не оказывают заметного влияния на параметры напряженно-деформированного состояния криволинейных труб из армированных пластиков при изгибе. При разработке приближенных методов расчета можно не учитывать переменность угла армирования по окружной координате и принимать его равным углу на экваторе тора.
Введение безразмерных параметров кривизны, интенсификации напряжений, нагрузки позволяет использовать для проведения инженерных расчетов полученные графические зависимости [12]. Такие зависимости удобны для определения коэффициентов жесткости криволинейных участков, которые необходимы для раскрытия статической неопределимости трубопровода. Задача раскрытия статической неопределимости трубопровода может решаться с использованием любой из универсальных коммерческих программ. На этом этапе особенность расчета трубопроводов из АП заключается только в определении жесткости прямолинейных и криволинейных элементов.
Оптимальные углы армирования определяются параметрическим анализом по минимуму критериальной функции прочности выбранного критерия.
Рис. 2. Общая блок-схема расчета криволинейных труб из АП
М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Бау-
Прямолинейные участки рассчитываются как тонкостенные стержни кольцевого поперечного сечения [8]. Напряжения от внутреннего давления определяются по формулам безмо-ментной теории оболочек.
Для исследованных стеклопластиков АГ — 4с и на основе ткани Т-10 даны рекомендации по оптимальным углам армирования при различных комбинациях нагрузок в зависимости от кривизны [12].
Расчет при малоцикловом нагружении в этой схеме проектирования предусмотрен как проверочный. Методика расчета труб, представленная авторами в монографии [12], позволяет производить расчеты по определению предельных нагрузок, коэффициентов запаса, определению оптимальных углов армирования при заданном числе циклов до разрушения.
Для определения числа циклов до разрушения в инженерных расчетах удобно использовать квадратные уравнения, полученные при линейной аппроксимации. Компонент тензора прочности, расчеты для исследованных стеклопластиков приведены в [11, 12, 14].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Буланов, И. М. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов / И. М. Бу-
ланов, В. В. Воробей. мана, 1998. — 516 с.
2. Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. — М.: Металлургия, 1973. — 408 с.
3. Нормы Американского общества инженеров-меха-ников для котлов и сосудов высокого давления. — М.: ЦНИИатоминформ, 1974, вып. 4.
4. Костовецкий, Д. Л. Прочность трубопроводных систем энергетических установок/ Д. Л. Костовецкий. -Л.: Энергия, 1973. — 264 с.
5. Расчетное обоснование прочности трубопроводных систем атомных электростанций на стадии их проектирования (опыт разработки и использования программноалгоритмического комплекса)/ А. Белостоцкий, Г. Воронова, И. Духовный, Ф. Школьникова // Энергетика. -1991. — № 3. — С. 82−91.
6. Селезнев, В. Е. Математическое моделирование трубопроводных сетей и систем каналов: методы, модели и алгоритмы / В. Е. Селезнев, В. В. Алешин, С. Н. Прялов — под ред. В. Е. Селезнева. — М.: МАКС Пресс, 2007. — 695 с.
7. Куликов, Ю. А. Вычислительная система расчетов на прочность пространственных трубопроводов / Ю. А. Куликов, И. В. Стасенко // Расчеты на прочность (М.). -1983. — Вып. 24. — С. 53−61.
8. Васильев, В. В. Механика конструкций из композиционных материалов / В. В. Васильев. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.
9. Зайцев, Г. П. Рациональное проектирование криволинейных перекрестно армированных труб из стеклопо-ластика / Г. П. Зайцев, В. Н. Тышкевич // Механика композитных материалов. — 1992. — № 4. — С. 470−475.
10. Багмутов, В. П. Несущая способность криволинейных труб из армированных пластиков при статическом
нагружении / В. П. Багмутов, В. Н. Тышкевич, В. Б. Светличная // Изв. вузов. Авиационная техника. — 2004. — № 4. -С. 71−73.
11. Тышкевич, В. Н. Долговечность криволинейных труб из армированных пластиков при малоцикловом нагружении / В. Н. Тышкевич // Изв. вузов. Авиационная техника. — 2003. — № 2. — С. 67−69.
12. Багмутов, В. П. Расчет и рациональное проектирование криволинейных труб из армированных пластиков:
моногр. / В. П. Багмутов, В. Н. Тышкевич, В. Б. Светличная — ВПИ (фил. ВолгГТУ). — Волгоград, 2008. — 158 с.
13. Куликов, Ю. А. Механика трубопроводов из армированных пластиков / Ю. А. Куликов, Ю. В. Лоскутов: моногр. — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. — 156 с.
14. Тышкевич, В. Н. Подбор критерия прочности для стеклопластика при малоцикловом нагружении / В. Н. Тышкевич // Механика и процессы управления: Труды XXXIII Уральского семинара. — Екатеринбург: УрО РАН, 2003. — С. 26−28.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой