CC BY
38
Транспорт
УДК 621.643
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА
С.В.Гущин1, И.Н.Зотов2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются вопросы обеспечения качества, надежности и ресурса авиационных трубопроводных коммуникаций с использованием современных компьютерных систем инженерного анализа, таких как, например, MSC «Nastran», который позволяет смоделировать геометрию трубопроводов и оценить их напряженно-деформированное состояние с учетом погрешностей, возникающих при изготовлении и монтаже. Показана возможность детального анализа различных элементов трубопровода и соединения, дается сравнение с традиционными методами расчетов. Ил. 8. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: анализ напряженно-деформированного состояния; трубопроводы; летательные аппараты; системы инженерного анализа; монтаж; надежность; метод конечных элементов.
ANALYSIS OF STRESSED-DEFORMED STATE OF AIRCRAFT PIPELINES WITH THE USE OF ENGINEERING ANALYSIS SYSTEMS S.V. Gushin, I.N. Zotov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article deals with the issues of ensuring quality, reliability and service life of aircraft pipeline communications with the use of modern computer systems of the engineering analysis, such as, for example, MSC «Nastran», which allows to simulate the geometry of the pipelines and assess their stressed-deformed state taking into account the errors that arise during manufacture and assembling. The authors demonstrate the possibility of the detailed analysis of the various elements of the pipeline and connection, as well as give a comparison with the traditional calculation methods. 8 figures. 4 sources.
Key words: analysis of the stressed-deformed state; pipelines; aircrafts; systems of engineering analysis; assembling; reliability; finite element method.
Анализ разрушений трубопроводов на летательных аппаратах показывает, что они носят, в основном, усталостный характер и происходят при вибрационных напряжениях, которые значительно ниже временного сопротивления разрыву и предела текучести. Известно, что циклическая прочность трубопроводов в значительной мере зависит от уровня напряжения трубопроводов, смонтированных на летательном аппарате. При одной и той же величине эксплуатационной нагрузки, например, внутреннего давления жидкости в трубопроводе, в зависимости от его конфигурации и искажения поперечного сечения возникают различные величины напряжений, причем величина этих напряжений может колебаться в широких пределах.
При этом на циклическую прочность трубопроводов влияет напряженно-деформированное состояние трубопроводов, возникающее при изготовлении (гибке, сварке, пайке) и при монтаже.
Следует отметить, что усталостному разрушению способствуют также местные концентраторы на поверхности:
- механические повреждения (следы от режущего инструмента, риски, царапины, забоины);
- резкие переходы с изменением жесткости (переход от трубы к ниппелю, от одного диаметра к другому в ниппеле и т.д.); плохое качество пайки, неравномерности распределения припоя в валике паяного шва.
В настоящее время разработаны методика и соответствующие приборы для проверки уровня монтажных напряжений.
Работы в этой области ведутся в нескольких направлениях:
- определение степени влияния монтажных напряжений на циклическую прочность трубопроводов при статических и динамических нагрузках;
- разработка методов определения уровня монтажных напряжений в трубопроводах;
- анализ влияния различных дефектов монтажа на циклическую прочность трубопроводных систем;
- разработка различных мероприятий по снижению уровня монтажных напряжений (совершенствование
1Гущин Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, тел.: 89643565670, (3952) 405133, e-mail: gushin@istu.edu
Guschin Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, tel.: 89643565670, (3952) 405133, e-mail: gushin@istu.edu
2Зотов Игорь Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, тел.: (3952) 405133, e-mail: zegor@istu.edu
Zotov Igor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, tel.: (3952) 405133, e-mail: Zegor@istu.edu
Irai
Транспорт
конструкции, например, соединений, совершенствование технологических процессов изготовления и монтажа трубопроводов) [1].
Монтажные напряжения возникают в результате трех дефектов монтажа: недотяга А1; несоосности А 2 (линейные неточности) и перекоса А 3 (угловая неточность) (рис. 1). При этом рассматриваются два основных случая: соединение свободного конца трубопроводов и крепление промежуточного участка трубопровода колодкой [2].
Рис. 1. Монтажные неточности в соединении трубопроводов по наружному конусу
В конструкциях пневмо- и гидросистем летательных аппаратов находят применение различные типы соединений трубопроводов, однако до последнего времени наибольшее распространение для труб небольших диаметров (до 40 мм) получили соединения по наружному конусу (ГОСТ 13954-74) (рис. 2).
Рис. 2. Соединение трубопроводов по наружному конусу: 1 - штуцер; 2 - накидная гайка; 3 -ниппель; 4 - развальцованный трубопровод
Эти соединения просты по конструкции и технологичны, однако их критичность к монтажным неточностям вследствие наличия поверхностей герметизации типа «конус по конусу», высокие усилия затяжки из-за относительно большой поверхности контакта и наличия ряда концентраторов напряжений вынуждают конструкторов отказываться от этого типа трубопроводной арматуры. Различные способы модернизации такого типа соединений [2, с.15] большого распространения не получили.
Соединения по внутреннему конусу (ГОСТ 1607870) (рис. 3) содержат в своем составе ниппели с полусферической или сферической контактной поверхностью, которые соединяются с трубопроводом пайкой или сваркой.
Такие соединения образуют герметичный стык при силовом контакте элементов типа «конус-сфера», что
обусловливает небольшую ширину контактной зоны и пониженные усилия затяжки для достижения необходимой степени герметичности. Сферическая поверхность ниппеля может компенсировать монтажные отклонения по углу до 5° [2].
Рис. 3. Соединение трубопроводов по внутреннему
конусу с полусферическим приварным ниппелем
В проведенных ранее исследованиях [2, 3] использовались традиционные методы расчетов напряженно-деформированного состояния трубопроводов, оценки их прочностных, частотных характеристик и характеристик выносливости.
Современное состояние компьютерных систем инженерного анализа позволяет оценить точность традиционных исследований и получить более полную и точную картину поведения трубопроводов и их соединений при воздействии различных нагрузок.
Одной из наиболее передовых систем инженерного анализа является MSC Nastran, обеспечивающий полный набор расчетов, включая расчет напряженно-деформированного состояния, запасов прочности, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости, исследование установившихся и неустановившихся динамических процессов, решение задач теплопередачи, акустических явлений, нелинейных статических и нелинейных переходных процессов, анализ сложного контактного взаимодействия, расчет критических частот и вибраций роторных машин, анализ частотных характеристик при воздействии случайных нагрузок и импульсного широкополосного воздействия, исследование аэроупругости на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Предусмотрена возможность моделирования практически всех типов материалов, включая композитные и гиперупругие.
С использованием системы MSC Nastran были построены конечноэлементные модели трубопроводных соединений нескольких типоразмеров и проведены расчеты их напряженно-деформированного состояния при воздействии различных нагрузок.
Для более наглядного сравнения с результатами традиционных расчетов, приведенными в литературе [2, 3] использовались в том числе модели трубопроводов диаметрами 8 и 22 мм с толщиной стенки 1 мм, выполненные из стали Х18Н10Т.
Моделирование геометрии соединений осуществлялось в системе Autocad с последующим экспортом и конвертацией файлов в формате ACIS в препроцессор Nastran (Femap) (рис. 4).
Iral
Транспорт
Рис. 4. Геометрическая модель соединения по наружному конусу: 1 - штуцер; 2 - развальцованная труба; 3 - ниппель; 4 - накидная гайка
Препроцессор Nastran - Femap позволяет создавать конечноэлементную сетку по геометрическим моделям как в автоматическом, так и в ручном режиме, с учетом особенностей геометрии и нагружения модели. В расчетах использовалась модель трубопровода с гексагональными объемными элементами (рис. 5). Моделировалось закрепление трубопровода в промежуточной опоре (колодке) на расстоянии 200 мм от развальцованного конца для различных типоразмеров трубопровода диаметром от 8 мм до 30 мм. В области развальцовки задавались перемещения вдоль одной или двух осей, задающие деформацию трубопровода при затяжке накидной гайки в процессе герметизации стыка между развальцовкой и штуцером.
Определялись значения напряжений при наличии неточностей в направлении оси У (несоосность) и при наличии одновременно двух неточностей по осям X и У (несоосность + недотяг).
Линейная зависимость между величиной неточности и напряжениями в трубопроводе (рис. 6) показывает, что с увеличением неточностей напряжения в материале трубопровода могут достигать значительных величин и сказаться на его прочностных и частотных характеристиках, что может привести к разрушениям элементов коммуникаций и отказам систем летательного аппарата. Из результатов расчетов следует, что наличие одновременно двух неточностей по разным осям трубопровода приводит к резкому увеличению максимальных напряжений в материале трубы (рис. 7), причем расположение максимальных напряжений приходится на зону перехода цилиндрической части трубы в коническую, что отрицательно сказывается на ресурсе трубопровода.
с
1 «
я S
я к
с ^
S я
к о
rj ^
И
s.
2500 2000 1500 1000 500 0
£-"1814
f"l089 r"i4si
f"726
!""364 ►—78-9—< —114—' -150-^ -186 2р
Г"43—
0
0,25 0,5 0,75 1 1,25 Диаметр трубопровода (мм)
1,5
--несоосность--несоосность+недотяг
Рис. 7. Напряжения в развальцованном трубопроводе при смещении промежуточной колодки крепления трубопровода
Изучение поведения трубопроводов различных типоразмеров при одинаковом значении монтажных неточностей позволило получить линейные зависимости напряжений от диаметра труб (рис. 8) и подтвердило резкое увеличение напряжений при наличии неточностей по двум разным осям.
Рис. 5. Трубопровод, разбитый на конечные элементы
Рис. 6. Напряжения и деформации в развальцованном трубопроводе при смещении промежуточной колодки крепления
к о
rj ^
Й о
к с
я
о и
S
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
— i 1843
Г-Т5Г8
l"*'389 > 527
< ,-149
12 16 22 30 Диаметр трубопровода (мм)
-несоосность
несоосность+недотяг Рис. 8. Изменение напряжений в развальцованном трубопроводе в зависимости от диаметра трубы при монтажных неточностях 1 мм
I EN I
Транспорт
Изучение картины распределения напряжений по поверхности трубопровода в постпроцессоре Ретар позволило выявить наиболее напряженные участки трубопроводов, расположенные в зоне развальцовки. Кроме этого, анализ показывал значительную неравномерность напряжений на внутренней поверхности развальцовки трубы, то есть в зоне образования герметичного стыка. Это явление имеет тенденцию к значительному росту с увеличением диаметра трубы. Неравномерность сжимающего усилия между развальцовкой и штуцером может привести к необходимости увеличения усилий затяжки накидной гайки и к негерметичности соединения.
Библиографический список
Проведенные вычислительные эксперименты показали хорошую сходимость результатов традиционных расчетов, приведенных в литературе, и результатов конечноэлементного анализа с использованием системы MSC Nastran, который позволяет детально проанализировать поведение трубопровода и элементов разъемных соединений при действии самых различных нагрузок. Использование инженерного анализа в производственном процессе дает возможность оперативной оценки допустимых отклонений геометрии трубопроводов с целью повышения их надежности и ресурса.
1. Чернышев А.В. Технология монтажа, отработки, испытаний и контроля бортовых систем летательных аппаратов: учеб. пособие для авиационных вузов. М.: Машиностроение, 1977. 336 с.
2. Сапожников В.М., Лагосюк Г.С. Прочность и испытания трубопроводов гидросистем самолетов и вертолетов. М.:
Машиностроение, 1973. 248 с.
3. Сапожников В.М. Монтаж и испытание гидравлических и пневматических систем на летательных аппаратах. М.: Машиностроение, 1972. 282 с.
4. Шимкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2003. 448 с.
УДК 656.212
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДЕРЖЕК ГРУЗОВЫХ ПОЕЗДОВ НА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СТАНЦИЯХ УЧАСТКА
А.Н.Иванков1, Л.Н.Иванкова2, М.В.Фуфачева3
1,2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
3Красноярский институт железнодорожного транспорта, филиал Иркутского государственного университета путей сообщения,
660028, г. Красноярск, ул. Ладо Кецховели, 89.
Разработана имитационная модель работы железнодорожного участка и предложена методика определения количества и продолжительности задержек длинносоставных поездов под обгоном пассажирскими на промежуточных станциях и этапность реконструкции. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: пропускная способность, задержки подвижного состава, длинносоставные грузовые поезда, имитационная модель работы железнодорожного участка, этапность реконструкции промежуточных станций.
DEFINITION OF CARGO TRAIN DELAYS AT THE INTERMEDIATE STATIONS OF THE SECTION A.N. Ivankov, L.N. Ivankova, M.V. Fufacheva
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, a Branch of the Irkutsk State University of Railway Engineering, 89 Lado Ketskhoveli St., Krasnoyarsk, 660028.
The authors developed a simulation model of the railway section operation and proposed the method to determine the number and duration of delays of long cargo trains under the overtaking by passenger trains at intermediate stations and stages of reconstruction. 3 sources.
Key words: carrying capacity; delays of rolling stock; long cargo trains; simulation model of railway section operation; stages of reconstruction of intermediate stations.
1Иванков Алексей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры управления эксплуатационной работой, тел.: 89148939774, e-mail: aivankov@yandex.ru
Ivankov Alexey Nikolaevich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Exploitation Management, tel.: 89148939774, e-mail: aivankov@yandex.ru
2Иванкова Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой управления эксплуатационной работой, тел.: 89148934321.
Ivankova Lyudmila Nikolaevna , Candidate of technical sciences, associate professor, Head of the chair of Exploitation Management, tel.: 89148934321.
3Фуфачева Марина Валерьевна, старший преподаватель кафедры эксплуатации железных дорог, тел.: 89029409563. Fufacheva Marina Valerievna, senior lecturer of the chair of Exploitation of Railways, tel.: 89029409563.
