Сущность гипотез и критериев прочности заключается в замене сложного напряженного состояния линейным, т. е.

1) Критерий Мизеса (иначе критерий формообразования).

Он устанавливает момент потери конструкцией несущей способности посредством сравнения величины эквивалентного напряжения с пределом текучести материала. Эквивалентное напряжение в точке тела определяется по формуле 9:

где -- главные напряжения, МПа.

Эквивалентное напряжение не зависит от ориентации элементарной площадки, на которой оно действует.

Критерий Мизеса применим к изотропным материалам, которые имеют вязкий характер разрушения. К ним относится большинство металлов и пластмассы, у которых присутствует линейный участок на диаграмме растяжения. В пространстве поверхность прочности по данному критерию описывается прямым круговым цилиндром, ось которого совпадает с пространственной диагональю, проходящей в положительном октанте системы координат главных напряжений (рисунок 11). Значит, что при всестороннем равномерном сжатии прочность материала по Мизесу бесконечна.

Рисунок 11 - Критерий по Мизесу

Коэффициент запаса прочности (или коэффициент безопасности) определяется как отношение величины прочности (предела прочности, предела текучести и пр.) к максимальному (допускаемому) эквивалентному напряжению:

где n0 -- допускаемый коэффициент запаса прочности.

2) Критерий максимальных касательных напряжений (1869 г.).

Данный критерий известен также как критерий Треска. Заключается в сравнении величины максимального касательного напряжения в данной точке относительно некоторой величины, задаваемой пользователем.



где

При выполнении условия под цифрой 11 наступает разрушение материала. Программа SolidWorks автоматически вычисляет на основе величин компонентов напряжений. Элементарная площадка прочности является наклонной шестигранной призмой, ось которой совпадает с диагональю положительного октанта системы координат главных напряжений.

При чистом растяжении/сжатии по критерию Мизеса и по критерию Треска тождественны. Прочность по Мизесу при чистом сдвиге больше приблизительно на 15%. Плоскость сечения представляет собой шестиугольник, который вписан в эллипс Мизеса (рисунок 12).

Рисунок 12 - Критерий Треска для плоского напряженного состояния

Условие прочности выглядит следующим образом:

3) Критерий Мора-Кулона (критерий внутреннего трения).

Применим по отношению к хрупким материалам, которые по-разному сопротивляются растяжению/сжатию (рисунок 13).

Рисунок 13 - Критерий Мора-Кулона для плоского напряженного состояния

Вследствие того, что хрупкие материалы не имеют на кривой деформирования выраженного участка текучести, то данная величина не участвует в расчетах.

4) Критерий максимальных нормальных напряжений.

Этот критерий применяется по отношению к хрупким материалам, одинаково сопротивляющихся разрушению или сжатию. Поверхность прочности представляет собой куб, грани которого перпендикулярны осям главных напряжений, а сечение поверхности плоскостью с нулевым главным напряжением - квадрат (рисунок 14).

Рисунок 14 - Критерий максимальных нормальных напряжений

Аналогично критерию Мора-Кулона, в данном критерии величина предела текучести также не принимает участия в расчете.

3.5 Расчет резервуара на прочность в среде Simulation

Расчет сборок представляет собой задачу, которая состоит из двух частей. Первая - это формирование адекватной модели (геометрическая, статическая, кинематическая), а вторая - планирование последовательности действий и времени.

Исследование будем выполнять с учетом результатов, полученных при гидродинамическом анализе потока воды. Наиболее ответственными элементами резервуара являются внутренний и присоединительный фланцы, поскольку они выполняют роль «опор» для кварцевых чехлов с находящимися внутри них ультрафиолетовыми лампами.

В момент времени, когда поток жидкости находится в своем крайнем положении - на выходе из резервуара, на внутреннюю поверхность присоединительного фланца приходится давление равное: P=0,8 (МПа).

Анализ напряженно-деформированного состояния будем проводить в несколько этапов. На первом этапе в статическом анализе фланцы будем рассматривать в качестве твердых тел без учета прокладки.

Для быстроты и удобства проведения расчета рассмотрим отдельно сегмент болтового соединения двух фланцев (рисунок 15). В геометрической модели данные болты отсутствуют, так как используется расчетная модель с «виртуальными» соединителями.

Контактирующие грани фланцев связаны условием «Нет проникновения», подразумевающее скольжение с возможностью выхода из контакта. Давление равное 0,8 (МПа) действует не на всю грань фланца, а только на том участке, где нет контакта с другим фланцем. Эта грань разделена на две части при помощи команды «Линия разъема». Таким образом ограничивается площадь, на которую распространяется действие давления потока жидкости. Данная схема предоставляет возможность более адекватного моделирования распределения нагрузок между фланцами и, непосредственно, жесткости самого соединения.

Рисунок 15 - Сегмент «болтового соединения»

Деление на участки, в свою очередь, позволит оценить уровень нагрузок, воспринимаемых отдельными участками фланца при действии не осесимметричных силовых факторов.

Материал фланцев нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, механические свойства которой приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Механические свойства стали

Нормативный документ	Состояние поставки, режимы ТО	Сечение, мм	, МПа	, МПа
ГОСТ 7350-77 ГОСТ 5582-75	Листы г/к и х/к: - закалка 1000-1800єС, вода или воздух; - закалка 1050-1800єС, вода или воздух; - нагартованные	Св. 4 До 3,9 До 3,9	236 205 -	530 530 880-1080

Данная сталь находит большое применение в промышленности по причине возможности успешного использования ее в различных эксплуатационных условиях. Она обладает высокой коррозионной стойкостью в ряде жидких сред, устойчива против межкристаллитной коррозии после сварочного нагрева, мало охрупчивается в результате длительного воздействия высоких температур и применяется в качестве жаропрочного материала при температурах ~600° С.

Торец участка трубы зафиксируем жестко. Данные граничные условия показаны на рисунке 16.

Рисунок 16 - Кинематические граничные условия

Сетка конечных элементов n-го порядка изображена на рисунке 17. Применены элементы управления для уплотнения ее в окрестностях отверстий болтового соединения. Размер конечных элементов подобран таким образом, чтобы в сечении отверстий и окрестностях головки болта с гайкой располагалось как можно большее количество элементов. Это сделано для сбора нагрузок, возникающих в месте контакта головки болта и фланца.

Рисунок 17 - Сетка конечных элементов



После задания всех необходимых условий можно приступать к расчету напряженно-деформированного состояния болтового соединения фланцев.

На рисунках 18 представлены эпюры нормальных напряжений с разных ракурсов.

Рисунок 18 - Эпюры нормальных напряжений

На рисунке 19 изображена эпюра перемещений, которые возникают под действием приложенного давления на грань фланца.

Рисунок 19 - Эпюра перемещений

Эпюра деформаций изображена на рисунке 20.



Рисунок 20 - Эпюра деформаций

На втором этапе в статическом нелинейном анализе рассматривается напряженно-деформированное состояние виртуального болтового соединения. В качестве материала для обоих фланцев выбрано пластичное железо из библиотеки материалов SolidWorks.

Смена типа расчета обусловлена тем, что в статическом линейном анализе «поведение» материала подчиняется закону Гука, т. е. напряжения пропорциональны деформациям и наоборот, - на участке О-А (рисунок 21), вследствие чего во фланце возникают большие напряжения.

Рисунок 21 - Диаграмма растяжения пластичных материалов

В статическом нелинейном анализе расчет проводится с учетом изменения механических свойств материала на участке текучести СD диаграммы растяжения. Если диапазон деформаций, реализуемых в процессе расчета таков, что материал демонстрирует нелинейные свойства, то упругая модель дает недопустимую погрешность.

Нелинейный анализ дает возможность автоматически пересчитывать геометрию матрицы жесткости конечных элементов и системы на каждом этапе нагружения.

Основным инструментом для осуществления вычислений является такое понятие как «Кривая времени». Для нагрузок, сил и перемещений назначаются их изменения в зависимости от параметра - времени. Если материалы обладают свойством вязко-упругости, ползучести, то данный параметр может быть реальным. Для решения других задач время является фиктивным параметром - т. е. имеет произвольный масштаб, и главным является соблюдение правил, которые определяют синхронность изменения граничных условий.

Как и в предыдущем примере за основу будет взята не вся модель в целом, а только лишь ее часть. Применяется опция «Циклическая симметрия». В этом случае отпадает необходимость накладывать дополнительные ограничения на боковые поверхности фланцев и трубы (рисунок 22).

Рисунок 22 -- Циклическая симметрия

Граничные условия, значение давления, особенности контактирующих поверхностей и «виртуальный» болт остаются неизменными. После проведения расчетов были получены следующие результаты:

1) Нормальные напряжения по Мизесу (рисунок 23):

Рисунок 23 -- Эпюра нормальных напряжений

2) Диаграмма перемещений (рисунок 24):

Рисунок 24 -- Эпюра перемещений

3) Диаграмма деформаций (рисунок 25):



Рисунок 25 -- Эпюра деформаций

Теперь выполним тот же самый расчет, но с учетом прокладки между фланцев. Материал прокладки -- ПОН ГОСТ 481-80. Паронит общего назначения используется в качестве прокладочного материала в различных отраслях промышленности. обеззараживание вода резервуар давление

В ходе выполнения анализа были получены следующие результаты.

Эпюра нормальных напряжений представлена на рисунке 26.

Рисунок 26 -- Эпюра нормальных напряжений

Эпюра перемещений изображена на рисунке 27.

Применяется для создания герметичности и уплотнения в соединениях деталей, узлов и агрегатов. Предел текучести паронита составляет 320 МПа, это объясняет его отличные уплотняющие свойства. Паронит герметизирует соединения при сдавливании, т.е. при стягивании винтами, болтами, шпильками. Достигая предела текучести, -переходит в другое состояние и заполняет собой трещины, неровности, раковины и прочие дефекты уплотняемых поверхностей.

Рисунок 27 -- Эпюра перемещений

Эпюра деформаций показана на рисунке 28.

Рисунок 28 -- Эпюра деформаций

Теперь рассмотрим модель с «реальным» болтом, показанную на рисунке 29 (один фланец скрыт для наглядности).

Рисунок 29 - Соединение с «реальным» болтом

Исходная затяжка болта обеспечивается благодаря эффекту термоупругости. В стержне вычленена своего рода проставка (выполнена в розовом цвете), которой присвоены свойства цилиндрически-анизотропного материала (рисунок 30). Коэффициенты теплового расширения таковы, что в поперечном сечении стержня деформации минимальны.

Рисунок 30 - Назначение свойств материала

Стоит отметить, что для данного материала радиальное направление в цилиндрической системе координат обозначается буквой «X», окружное -- «Y», а осевое -- «Z». Эти условия необходимо учитывать при назначении свойств анизотропного материала.

В исследуемой модели учитывается трение, т. е. принимается глобальный коэффициент трения, равный 0,2. В данном расчете это важно, иначе слишком мягкая прокладка будет выдавлена внутренним давлением.

Сетка конечных элементов изображена на рисунке 31.

Рисунок 31 - Сетка конечных элементов

Применяется инструмент «Управление сеткой» для более точной концентрации напряжений в месте контакта головки болта и фланца.

В модели применяются контактные условия, изображенные на рисунке 32.

Рисунок 32 - Задание контактных условий для модели

Исследуемый сегмент жестко зафиксируем на торце трубы, а с боков применим инструмент «ролик/ползун», тем самым позволим фланцам и прокладке совершать движение вдоль оси трубы.

Граничные условия и приложенные нагрузки показаны на рисунке 33.

Рисунок 33 - Контактные и граничные условия

Также стоит отметить тот факт, что при замене инструмента «ролик/ползун» на «циклическую симметрию» напряжения увеличиваются приблизительно в два раза.

Диаграмма нормальных напряжений показана на рисунках 34 и 35.

Рисунок 34 - Диаграмма напряжений

На рисунке 35 в увеличенном масштабе изображена эпюра распределения нормальных напряжений в зоне контакта гайки и фланца.



Рисунок 35 - Диаграмма распределения напряжений в месте контакта

Как видно из эпюры максимальные напряжение возникают в местах контакта гай и головки болта с фланцами.

Диаграмма перемещений изображена на рисунке 36.

Рисунок 36 - Эпюра перемещений

Эпюра деформаций приведена на рисунке 37.

Рисунок 37 - Эпюра деформаций



Для надежной работы конструкции необходимо, чтобы она обладала определенным запасом прочности, запасом надежности, поэтому в расчетную модель вводится такое понятие как «коэффициент безопасности».

На рисунке 38 изображена диаграмма распределения запаса прочности.

Рисунок 38 - Диаграмма запаса прочности

Изучим еще один вариант представления расчетной модели в задаче расчета фланцевых соединений - это комбинированная: оболочки и твердое тело. Геометрическая модель представлена на рисунке 39.

Рисунок 39 -- Модель фланцевого соединения

Труба и фланцы выполнены поверхностями, а паронитовая прокладка -- твердым телом. Обладая малой жесткостью относительно фланцев, прокладка подвергается неравномерному сжатию в радиальном направлении. Это приводит к повороту сечений фланцев при затяжке болтами. Аппроксимация прокладки оболочкой упразднила бы эту модель деформации, тем самым исказив результат.

Между поверхностями существуют зазоры, размеры которых равны полу сумме толщин контактирующих оболочек. Это является обязательным для оболочечных моделей при решении контактных задач со скольжением, входом в контакт и выходом из него [2].

Рисунок 40 -- Граничные условия и нагрузки

Сетка конечных элементов представлена на рисунке 41.

Рисунок 41 -- Сетка конечных элементов

Граничные условия заключаются в фиксации осевого перемещения на торце трубы. Внутреннее давление приложено к фланцу и трубе. Как и в предыдущей модели принят глобальный коэффициент трения 0,2. Параметры виртуальных болтов остаются неизменными, а их число увеличилось до 16 ввиду отсутствия симметричности (рисунок 40).

Узлы оболочечных моделей обладают шестью степенями свободы: тремя углами поворота и тремя перемещениями, в отличие от объемных конечных элементов. Такие элементы имеют линейную аппроксимацию перемещений или параболическую [1].

В процессе расчета были получены следующие результаты:

1) Эпюра нормальных напряжений по Мизесу изображена на рисунке 42, 43:

Рисунок 42 - Эпюра напряжений

Рисунок 43 - Эпюра напряжений



2) Эпюра перемещений изображена на рисунке 44:

Рисунок 44 -- Эпюра перемещений

3) Эпюра деформаций представлена на рисунке 45:

Рисунок 45 -- Эпюра деформаций

Как видно из графика, в местах контакта болтов фланца присутствуют деформации. Прокладка из паронита также претерпевает деформации вследствие затягивания болтов.



4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

В нормативных технических документах, а также в ГОСТах приводятся рекомендации для структурного анализа трубопроводов и резервуаров, работающих под давлением: разработка геометрии модели, подбор определяющих параметров и анализ полученных результатов. Наибольший интерес представляет модель разрушения, которая представлена не только в ГОСТ, но и в различных международных стандартах.

Допускаемые напряжения являются одним из способов анализа разрушения конструкций. Теория допускаемых напряжений базируется на теории пластических деформаций материалов и оболочек.

4.1 Аналитическая оценка допустимых нагрузок на элементы сосуда

В процессе испытания оборудования и его последующей эксплуатации наибольшим деформациям подвергаются фланцевые соединения.

Согласно ГОСТ Р 52857.4-2007 [16] расчетные напряжения в болтах вычисляются по формулам:

1. При затяжке:

2. В рабочих условиях:

где -- расчетная нагрузка на болты фланцевых соединений при затяжке;

-- расчетная нагрузка на болты в рабочих условиях, МПа;

Аб -- суммарная площадь сечения болтов по внутреннему диаметру резьбы, м2.

Условия прочности болтов определяются по формулам:

1. При затяжке:

2. В рабочих условиях:

Номинальное допускаемое напряжение для болтов при затяжке и испытании при температуре 20єС вычисляется по формуле:

где -- предел текучести;

-- коэффициент запаса прочности по отношению к пределу текучести:

· = 2,6 - 2,8 -- для углеродистых сталей, у которых:

· = 2,3 -- для углеродистых сталей, у которых: < 0,7;

· = 1,9 -- для аустенитных сталей.

Допускаемые напряжения для болтов при затяжке в рабочих условиях и при расчете на условия испытания вычисляют по формулам:



где -- коэффициент увеличения допускаемых напряжений при затяжке;

-- коэффициент условий работы:

= 1,0 -- для рабочих условий;

= 1,35 -- для условий испытания.

-- коэффициент условий затяжки:

= 1,0 -- при обычной неконтролируемой затяжке; = 1,1 -- при затяжке с контролем по крутящему моменту.

Рекомендуемые значения усилий предварительной затяжки болтов приведены в РД 37.001.131-89 [19].

-- коэффициент учета нагрузки от температурных деформаций:

= 1,0 если нагрузка от температурных деформаций не учитывается;

= 1,3 при расчете фланцев с учетом нагрузки от температурных деформаций.

4.2 Условия статической прочности элементов сосудов, работающих под давлением

Согласно п.8 ГОСТ Р 52857.1-2007 [15] условия статической прочности элементов сосудов выполняются, при условии:

где -- мембранные напряжения, МПа;

-- изгибные напряжения, МПа.

Эти напряжения определяют вблизи лицевой кромки сварного шва (рисунок 46).

Рисунок 46 -- Кромки сварного шва в месте приварки фланца

В данной магистерской работе сварные швы не моделируется в силу того, что смоделированная таким образом модель является заведомо менее прочной. Учет швов потребует увеличения наложения граничных и контактных условий на исследуемую модель, а также приведет к увеличению конечных элементов при создании сетки. Все это в совокупности ведет к усложнению геометрии модели и, соответственно, к росту времени самого расчета.

Мембранные и изгибные напряжения определяются на расстоянии, равному катету сварного шва. Для сосудов, работающих под давлением, места сварки определяются на стадии разработки и проектирования изделия. Таким образом, в данной работе рассматриваются зоны максимальной концентрации напряжений в месте приварки фланца к трубе, а также в местах соприкосновения болтов при присоединении ответного фланца.

Примером напряжений, относящихся к категории мембранных, являются средние напряжения растяжения/сжатия по толщине стенки цилиндрической оболочки, которые возникают под действием внутреннего давления. К изгибным напряжениям относятся такие напряжения, вызываемые как внутренним давлением, так и действием внешних сил и моментов.

Наглядно мембранные и изгибные напряжения можно показать в виде пластины, один конец которой жестко заделан (зафиксирован), а с другой стороны к ней приложены растягивающее усилие и изгибающий момент (рисунок 47).

Рисунок 47 -- Типы напряжений

В этом случае мембранные напряжения вызваны растягивающим усилием, а изгибные -- моментом.

4.2 Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния

В процессе выполнения линейного расчета были получены следующие результаты: максимальное нормальное напряжение в зоне контакта болтов и фланца составило: уmax = 1571 (МПа); предел текучести равен: уy = 263,8 (МПа). Столь высокое значение максимального напряжения можно объяснить тем, что «поведение» материала в модели подчинено закону Гука, в соответствии с которым напряжение прямо пропорционально деформации, т. е. решающая программа не учитывает пластичные свойства материала.

Также здесь стоит отметить, что отличие между моделями МКЭ и нормативной методикой, заключается в том, что действие болтов заменяется болтовой нагрузкой без учета жесткости. Виртуальные болтовые соединения, которые учитывают действие стержня болта, его головки и гайки, завышают жесткость исследуемой модели относительно этой же модели с реальными болтами.

Болтовое соединение в SolidWorks имитируется следующим образом: стержень болта заменяется балкой, которая воспринимает изгиб и растяжение. Концы данной условной балки соединяются абсолютно жесткими стержнями со всеми узлами конечных элементов, принадлежащим «кольцам», на которые опираются гайка и головка болта. В действительности же и головка, и гайка изменяют свои формы, что приводит к деформации их плоских опорных граней. К тому же, место соединения гайки с болтом имеет повышенную деформируемость, т. к. их соединение осуществляется через податливую резьбу.

Следующий нелинейный расчет осуществлялся с учетом пластических свойств материала, а также с использованием прокладки из паронита. В первом случае, когда из анализа была исключена прокладка максимальное нормальное напряжение в окрестностях отверстий составило уmax = 107 (МПа) по Мизесу. Предел текучести уy = 551 (МПа). Наибольшие перемещения в центре фланца составили ?7 (мм). Исходя из значений этих величин можно сделать вывод о том, что болтовое фланцевое соединение выдержит приложенную нагрузку - при гидравлическом испытании установки.

В нелинейном анализе с вводом прокладки в рассчитываемую модель получились следующие результаты: у = 1268 (МПа), а перемещение составило ?9 (мм). Столь высокий скачок напряжений возникает вследствие наложения граничных и контактных условий в местах контакта прокладки и фланцев. Но стоит отметить тот факт, что характер распределения нормальных напряжений в окрестностях отверстий идентичен, как и в предыдущем случае.

Следующий расчет производился с учетом «реального» болта и прокладки. Включение болтов в расчетную модель существенно приближает ее к той, которая приведена в нормативных документах. Но здесь также очевидны недостатки - сложность геометрической модели повышается и, соответственно, значительный рост вычислительных ресурсов компьютера.

По итогам расчета максимальное нормальное напряжение составило уy = 1164 (МПа), а наибольшее перемещение: 7,5 (мм). На эпюре деформаций можно увидеть, что площадь контакта фланцев и прокладки уменьшается после затяжки болтов. Граница между контактирующей и свободной поверхностями располагается примерно посередине прокладки. Это дает возможность корректного предположения о том, что действие приложенного внутреннего давления распространяется до середины прокладки.

Большое значение напряжения появляется в результате сингулярности. Сингулярность появляется тогда, когда в процессе дискретизации (процесс разделения модели на конечные элементы) размеры конечных элементов уменьшаются или вовсе стремятся к нулю. Тогда площадь конечно-элементной площадки становится равной нулю. Поскольку приложенное давление остается неизменным, т. е. P=const, то значение напряжения стремится к бесконечности. В рассмотренном случае в точке приложения силы решением являются бесконечно большие напряжения (математически), а в результате решения МКЭ получается конечное решение, которое тем ближе к бесконечности, чем меньше сетка КЭ.

Избежать сингулярности можно если заложить в качестве материала упруго-пластичную модель Прандтля. В этом случае при достижении предела текучести в точке сингулярности напряжения перестанут расти, внутренние усилия будут перераспределяться на соседние узлы между площадками. Данный вариант является наиболее физически близким к реальному.

Последний расчет осуществлялся по комбинированной модели - это оболочки плюс тела аппроксимации. Максимальные нормальные напряжения появились в окрестностях отверстий и составили: уmax=495 (МПа). Перемещения составили 5 мм согласно диаграмме и находятся в центре присоединяемого фланца.

Результаты данного расчета отличаются от нелинейного без учета прокладки. В то время как результаты расчета с «реальным» болтом не существенно отличаются от результатов нелинейного с прокладкой и статического линейного. Появление высоких напряжений связано с возникновением сингулярности. Расхождение в результатах составляет ?9%.

Одним из факторов, показывающих различие между результатами численного анализа и расчетов, приведенных в нормативных документах, является завышенная жесткость виртуального соединителя - болта. Использование в анализе комбинированной модели позволяет решать сложные задачи при ограниченных возможностях вычислительной техники.

По результатам анализа можно сделать заключение о том, что нормативные методики не вполне адекватно моделируют сложное напряженное состояние в месте приварки фланца к трубе, т. к. расчетная модель основана на значительном числе упрощений. В этих местах появляются напряжения и деформации, поэтому результат расчета при помощи численной модели является более справедливым.

Также стоит отметить, что приведенные в тексте исследования методики в нормативных документах, нельзя полностью применить к модели, исследуемой в данной магистерской работе.

4.3 Методика расчета установки

1) Последовательность расчета потока жидкости.

Прежде чем приступать к расчету, необходимо определиться с постановкой задачи и выполнить ряд следующих действий.

1. Выполнить настройку программы.

Сюда входят выбор типа задачи, текучей среды, задание условий на стенках сосуда (если таковы имеются).

2. Ввести набор исходных данных.

3. Запуск расчета и анализ полученных результатов.

2) Методика расчета напряженно-деформированного состояния.

Расчет сборочных единиц - это задача, состоящая из двух частей:

1. Создание адекватной модели (геометрической, статической, кинематической;

2. Планирование последовательности действий.

После того как исследуемая модель готова необходимо выполнить следующие действия.

1. Назначить всем деталям сборки материал с корректным набором упругих (упруго-пластичных) характеристик.

2. Определить кинематические граничные условия, исключающие перемещение сборки как жесткого целого, любой из деталей или совокупности контактирующих деталей без их деформации.

Эти ограничения касаются не только перемещений, но и вращений. Перемещение или вращение деталей можно ограничить наложением кинематических граничных условий на деталь и установлением сопряжений (связей) детали с другими элементами сборки.

3.Определить статические граничные условия (приложить нагрузки, действующие на модель).

Заданный комплекс кинематических граничных условий должен обеспечивать деформированное состояние хотя бы одной детали сборки.

4. Задать контактные условия между поверхностями соприкасающихся элементов (контактная задача).

Под контактной задачей понимается ситуация, при которой во время нагружения деформируется площадка контакта между элементами. Контактные задачи делятся на учитывающие и не учитывающие трение. Поверхность контакта может либо уменьшаться, либо увеличиваться.

5. Наличие конечно-элементной дискретизации (создание сетки конечных элементов).

Если при анализе модели наиболее важными областями концентрации напряжений являются геометрические элементы (внутренние углы, отверстия, проточки и т. д.), а также зоны закреплений, то в сборках к ним почти всегда добавляются места контакта. Вследствие чего стоит уделять особое внимание аппроксимации кинематики, геометрии и подбору приемлемой плотности КЭ сетки в этих местах. Но здесь также стоит учитывать возможное появление сингулярности при выполнении расчета.

6. Запуск расчета и анализ полученных результатов.

На этом этапе осуществляется интерпретация результатов применимо к объекту исследования.



5. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ И СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На производственном предприятии ООО «Александра-Плюс» каждая установка подвергается ряду испытаний с целью проверки работоспособности оборудования в целом и выявить недостатки, допущенные при проектировании. Установки обеззараживания воды серий УОВ-ПВ и УОВ-СВ имеют в своей конструкции ряд незащищенных мест. На этапе конструкторской разработки им следует уделять особой внимание.

Основную нагрузку в процессе эксплуатации воспринимают внутренний фланец и фланец присоединительной крышки. Чтобы обеспечить сохранность кварцевых чехлов и УФ-ламп, а, следовательно, и работоспособность всей установки, на предприятии доваривают дополнительные ребра жесткости или увеличивают толщину фланцев.

Все эти действия ведут не только к увеличению материалоемкости, росту затрат, а также к деформации самих фланцев и нарушению герметичности.

Исходя из всего названного выше, целью оптимизации является уменьшение величины давления, оказываемого на фланцы и стенки емкости.

5.1 Оптимизация конструкции установки и расчет потока жидкости

Улучшение прочностных свойств тех мест, которые воспринимают наибольшие нагрузки, можно добиться двумя способами:

1. Врезка в корпус рабочей емкости дополнительного кожуха, выполняющего роль «воздушного кармана».

Его внедрение позволяет сглаживать пульсации давления в системе.

2. Увеличение толщины фланца и приварка необходимого количества ребер жесткости при необходимости устанавливается на этапе проектирования.

На рисунке 48 представлена измененная модель рабочей емкости. Все исходные данные и граничные условия остаются такими же.

Рисунок 48 - Модель рабочей емкости

В ходе проведения расчета получились следующие результаты.

1. Полное давление на фланцах (рисунок 49, 50, 53).

Рисунок 49 - Распределение давления на торцевом фланце

Рисунок 50 - Диаграмма давления на поверхности внутреннего фланца



Рисунок 51 - Диаграмма давления на поверхности фланца крышки

2. Траектории движения потока показаны на рисунках 52, 53.

Рисунок 53 - Траектория потока и изменение давления в емкости

Рисунок 54 - Траектория скорости потока жидкости

3. Эпюра интенсивности турбулентности показана на рисунке 55.



Рисунок 55 - Эпюра интенсивности турбулентности

По результатам анализа видно, что давление, действующее на поверхность фланца крышке, немного уменьшилось и составило примерно 794000 (Па) вместо 800000 (Па) в предыдущем расчете потока жидкости.

Стоит отметить, что в действительности после первичного испытания установки фланец крышки был выпучен под давлением воды изнутри емкости. После чего на производственном участке сняли крышку и к фланцу доварили по месту дополнительные ребра жесткости. С учетом того, что помимо ребер были приварены 18 втулок, поверхность фланца извело в процессе сварки. Поэтому прочностной анализ с будет производиться без ввода в исследуемую модель ребер жесткости.

5.2 Анализ статической прочности оптимизированной конструкции

Граничные условия, а также условия закрепления и плотность сетки конечных элементов остаются неизменными. Меняется только величина приложенной нагрузки и толщина фланца, которая равняется 12 мм.

Для начала оценим напряжения в местах контакта головки болта и фланца. В ходе проведения расчета получились следующие результаты.

1) Нормальные напряжения по Мизесу представлены на рисунке 57.



Рисунок 57 - Эпюра нормальных напряжений

2) Диаграмма перемещений показана на рисунке 58.

Рисунок 58 - Диаграмма перемещений

3) Эпюра деформаций изображена на рисунке 59.



Рисунок 59 - Эпюра деформаций.

Как видно из диаграммы максимальное напряжение не превышает предел текучести материала фланца. Это означает, что исследуемый объект выдержит давление, которое возникает вследствие прохождения потока жидкости в рабочей емкости.

Полученные в результате анализа значения, оформим в итоговую таблицу 4 результатов исследования.

Таблица 4 - Итоговая таблица результатов исследования

	Первоначальная геометрия	Оптимизированная геометрия	Разница в напряжениях,%
	у, МПа	ДW, мм	у, МПа	ДW, мм
Место контакта болта и фланца (max)	107,79	0,564	84,9	0,4	21,24
В местах сварных швов	54,001	0,3	45	0,2	16,67



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения магистерской диссертации был осуществлен анализ по литературным источникам, в которых рассматриваются:

1. Технология очистки и обеззараживания воды с применением совместного действия ультразвукового и ультрафиолетового излучений;

2. Гидравлические процессы, проходящие во время УЗ-очистки;

3. Прочностные свойства резервуаров, работающих под давлением;

4. Применение современных программных вычислительных сред для выполнения различных инженерных расчетов и т. д.

На первом этапе осуществлен анализ течения потока жидкости в рабочей емкости установки. Полученное значение давления было в использовано в дальнейших расчетах на прочность.

На втором этапе произведен прочностной анализ фланцевого соединения установки обеззараживания воды серии УОВ-ПВ. Расчеты выполнялись не только для твердотельных, но и для оболочковых моделей. Дана оценка получившимся результатам при расчете различных типов моделей. В расчете с «виртуальным» болтом в свойствах материала в таблице были введены необходимые механические анизотропные свойства соединителя в цилиндрической системе координат.

На основе полученных результатов прочностного анализа была проведена оптимизация конструкции, выполнены соответствующие расчеты потока жидкости с последующим расчетом на прочность оптимизированной модели.

Также была дана оценка о применимости существующих нормативных документов в качестве руководства для расчета установок обеззараживания воды, производимые производственным предприятием ООО «Александра-Плюс». Разработана методика инженерного анализа сосудов, работающих под давлением, в которой пошагово описана последовательность действий при выполнении инженерных расчетов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Алямовский, А. А. COSMOSWorks. основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks / А. А. Алямовский. - Москва: ДМК Пресс, 2010, - 784 с.

2. Алямовский, А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation / А. А. Алямовский. - Москва: ДМК Пресс, 2010, - 464 с.

3. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи / А. А. Алямовский. -- СПб.: БХВ-Петербург, 2012, - 448 с.: ил. + DVD.

4. Бергман, Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Л. Бергман. - Москва: Издательство иностранной литературы, 1957. - 726 с.

5. Эльпинер, И. Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие / И. Е. Эльпинер. - Москва: Физматгиз, 1963. - 420 с.

6. Основы физики и техники ультразвука / Б. А. Агранат, М. Н. Дубровин, Н. Н. Хавский, Г. И. Эскин. - Москва: Высшая школа, 1987. - 352 с.

7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / под ред. И. П. Голяминой. - Москва: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

8. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов / Т.М Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов [и др.]. - Москва: Машиностроение, 1982. - 423 с.

9. Драгинский, В. Л. Образование токсичных продуктов при использовании различных окислителей для очистки воды / В. Л. Драгинский, Л. П. Алексеева // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - №2.

10. Развитие систем обеззараживания сточных вод на московских станциях / А. Н. Пахомов, М. Н. Козлов, Д. А. Данилович, Н. А. Белов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2005. - №12. - Ч.1.

11. О введении в действие санитарно-эпидемиологических правил и нормативов "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества. СанПин 2.1.4.1116-02": постановление Гл. гос. санитар. врача РФ от 19 марта 2002 г. № 12 // Российская газета. - 2002. - 22 марта. - С. 40.

12. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения: утв. Гл. гос. санитар. врачом РФ 26.09.2001. - Введ. 01.01.2002. - Санкт-Петербург: Деан, 2002. - 68 с.

13. ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением: утв. постановлением Госгортехнадзора России от 11.06.2003 №91. - Введ. 22.12.2014. - ОАО НТЦ Промышленная безопасность, 2008 г. - 186 с.

14. ГОСТ 3242-79. Соединения сварные. Методы контроля качества. - Введ. 02.08.1979. - Москва: Издательство стандартов, 1991. - 10 с.

15. ГОСТ Р 52857.1-2007. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. - Введ. 27.12.2007. - Москва: Стандартинформ, 2009. - 22 с.

16. ГОСТ Р 52857.4-2007. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет на прочность и герметичность фланцевых соединений. - Введ. 27.12.2007. - Москва: Стандартинформ, 2009. - 36 с.

17. ГОСТ Р 52630-2012. Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия. - Введ. 27.12.2006. - Москва: Стандартинформ, 2012. - 117 с.

18. ГОСТ 12.2.051-80. Система стандартов безопасности труда. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности. - Введ. 01.01.82. - Москва: Издательство стандартов, 1987. - 6 с.

19. РД 37.001.131-89. Затяжка резьбовых соединений. Нормы затяжки и технические требования. - Введ. 01.07.90. - Бор: Борская типография Нижегородского областного управления издательств, 1990. - 20 с.



ПРИЛОЖЕНИЕ

Общий вид установки обеззараживания воды

Подключение и монтаж установки



Технические характеристики камеры обеззараживания

Таблица 2.1 - Технические характеристики установки УОВ-ПВ-500

Параметр	Ед. изм.	Значение
Производительность4, не более	м3/ч	550
Рабочее давление в камере обеззараживания, не более	бар	10
Разряжение в камере обеззараживания, не более	бар	0,1
Тип лампы5	амальгамная	GPHHA 1554 T6L, SEAN GA 1554 T6L, SEAN GLHA 19310
Количество ультрафиолетовых ламп	шт.	18
Срок службы УФ-ламп	час	13 000
Количество включений/выключений в течение срока службы, не более	-	2 000
Напряжение питания	В	220/380
Частота питающего напряжения	Гц	50
Потребляемая мощность: - камера обеззараживания и блок управления; - насос промывки	кВт	6,3 0,25
Диаметр патрубков камеры обеззараживания6	мм	300
Объем камеры обеззараживания	л	274
Датчик ультрафиолета с прибором контроля	-	есть
Габаритные размеры, не более: - камера обеззараживания с подставкой; - блок управления с подставкой; - насос промывки	мм	2160Ч630Ч1380 750Ч300Ч1700 500Ч190Ч230
Масса, не более: - камера обеззараживания с подставкой; - блок управления с подставкой; - насос промывки	кг	162 88 5

1 Очищенная вода, по физ-хим. показателям соответствующая СаНПиН 2.1.4.1074-01 и поверхностного источника с коэффициентом пропусканием не менее 70%

2 Очищенная вода, по физ-хим. показателям соответствующая СаНПиН 2.1.4.1074-01 из поверхностного источника или любая вода, прошедшая сорбционную фильтрацию с коэффициентом пропусканием не менее 80%

3 Вода, прошедшая очистку с применением ультрафильтрации или обратного осмоса с коэффициентом пропусканием не менее 90%

4 Производительность установки зависит от коэффициента пропускания воды

5 Безозоновое исполнение. Возможно применение любой из представленных в таблице марок ламп.

6 Диаметр входного и выходного патрубков определяется проектом и согласуется с заказчиком при изготовлении установки. Указано базовое значение.

Размещено на Allbest.ru