CC BY
20
№3
2007
622.233.6
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЕМКОСТИ-РЕАКТОРА НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
С. А. ЧЕРНОВ, проф. И. ф. ДЬЯКОВ
Рассмотрена конечно-элементная модель емкости-реактора для ратюжения С 'ОЖ. Приведены результаты расчетов вариантов конструкции по разработанной программе и рекомендации по снижению металлоемкости.
Finile-eleinent model ofthe reaclor-cala/ysi for décomposition ofmelal-working coolani i.\ examined Slruclural resulls oflhe calculai i ans under /lie deve/oped program and llie recommandations on rleava.se in mêlai consumpimn are shown.
Проект емкости-реактора ИТС-312.01.00.ОООСх представляет собой коробчатую конструкцию с внешним стержневым каркасом. Емкость состоит из панели днища размером 5780x2000, передней и задней стенок (2000х 1940) и двух боковых стенок (5780х 1940). Толщина листа металла панели днища 5 мм, а панелей всех стенок — 4 мм.
Каркас представляет собой стержневую конструкцию, у которой всс стержни -коробчатого сечения: труба профильная 100x100x6 ГОСТ 8639-82. По длине днища располагаются 3 лонжерона, которые переходят на заднюю и переднюю стенки, а по ширине днища — 9 поперечин, которые также переходят и на боковые стенки. Крайние лонжероны и поперечины днища определяют габаритные размеры емкости-реактора: ширину и длину. Горизонтальные стержни опоясывают емкость в верхней и средней частях по его периметру. Углы сопряжения всех горизонтальных и вертикальных стержней на панелях боковых, передней и задцей стенок, а также поперечин и лонжеронов днища составляют 90°.
Боковые стенки емкости-реактора соединены между собой тремя талрепами, которые находятся в верхнем стержневом поясе в узлах сопряжения с вертикальными стержнями: один талреп располагается по середине верхнего стержневого пояса боковой стенки бака, а два других — в средних узлах левой и правой половин емкости.
По проекту возможны следующие два варианта установки емкости-реактора:
1. Шесть опор (150x150) по периметру днища, из которых четыре расположены в углах его стержневого каркаса, а две — в средней части по длине днища.
2. Опоры по всей длине горизонтальных стержней, расположенных в средней части передней и задней стенок емкости-реак тора.
Конструкция смкости-реактора — симметричная по продольной и поперечной осям, а также симметричны расположение опор и действующая нагрузка. В связи с этим исследования напряженно-деформированного состояния конструкции проведены на одной четвертой се части с реализацией условий симметрии. Использовалась программа целевого назначения*, предназначенная для расчета коробчатых конструкций, подкрепленных балочными (призматическими) и тонкостенными стержнями. Целевое назначение программы позволило значительно упростить организацию исходных данных задачи и их подготовку.
*> Свидетельство РФ оо официальном регистрации программы для ЭВМ. № 2006611597. Расчет смкостн-рсак-тора для разложения СОЖ / Чернов С.Д.. Дьяков И.Ф.; Заявитель и правообладатель Ульян, госуд. тех. унив. № 2006610834; постун. 21.03.2006: «регистр, в Реестре программ для ЭВМ 12.05.2006.
№> 3 2007
Расчетная схема представляет собой подкрепленную коробчатую оболочку. Конечно-элементная модель четвертой части предложенного проекта емкости-реактора к численному исследованию его напряженного и деформированного состояния образована 2689 прямоугольными КЭ оболочки (при изгибе 12-члениый аппроксимирующий полином) и 206 пространственными балочными КЭ и содержит 2784 узла. узлах КЭ 6 с тепеней свободы и, следовательно, система разрешающих линейных алгебраических уравнений равновесия задачи состоит из 16704 уравнений. 20 топи СОЖ приводится к равномерно-распределенной нагрузке по площади днища: с/ 1.7 МПа. Гидростатическая нагрузка, действующая на стенки емкости в виде треугольника, меняется на четыре эквивалентные ступенчато-переменные нагрузки но площади, с равными ступенями по высоте, следующим образом: с/, = 1.4 МПа. с/2 = 1.0 МПа. с/, - 0,6 МПа, с/4 = 0.2 МПа.
Расчетная схема емкости-реактора представлена на рис. I. где точками обозначены узлы, в которых расположены талрепы.
Анализ схемы показал, что наименьшую половину ширины ленты матрицы жесткости конструкции (ЬЕЫТА) и простоту подготовки исходных данных задачи обеспечивает следующий подход к нумерации узлов КЭ.
Сначала выполняется нумерация узлов КЭ панели днища по оси ,\1) от начала координат. В этом случае местная система координат прямоугольных КЭ совпадает с общей системой координат. Затем выполняется нумерация узлов КЭ боковой стснки по оси У" с переходом на заднюю стенку. На боковой стенке следующая ориентация местной системы координат у прямоугольных КЭ: ось X совпадает с направлением оси У0, ось У—с осыо 7°, а ось 7 — с осью Л'0. На задней стенке ось X противоположна направлению оси /V0, ось У совпадает с направлением оси 2°, а ось X— с осыо У0.
Рис. I. Расчетам схсма проекта см кости-реактора
Подготовка исходной информации выполнена программами генерирования узлов и прямоугольных КЭ. Вручную выполняется набор матриц индексов только прямоугольных КЭ, расположенных па днище вдоль сопряжения днища и боковой и задней стенок. Генерирование стержневых КЭ выполнялось одновременно для всех поперечин и лонжеронов емкости-реактора. Половина ширины ленты матрицы жесткости конструкции определяется по матрице индексов прямоугольного КЭ, который расположен в конце первого ряда прямоугольных КЭ. моделирующих днище емкости-реактора, и для данной задачи равнв 4146.
№3
2007
Кинематические условия закрепления расчетной схемы конструкции реализованы следующим образом: угловые и линейные связи в узлах сопряжения лонжеронов и поперечин днища в соответствии с установкой ем кости-реактора на опоры; линейные связи вдоль талрепов; угловые связи по срезам симметрии днища, боковой и задней стенок; линейные связи по направлениям, перпендикулярным срезам симметрии днища, боковой и задней стенок. 11оследние два условия кинематических связей реализуют условия симметрии четвертой части конструкции.
На рис. 2 приведен прямоугольный КЭ, состоящий в действительности из двух треугольных КЭ оболочки (при изгибе 10-членной аппроксимирующей полином).
Рис. 2. Схема расслоения прямоугольного КЭ: а — несогласованный прямоугольный КЭ: п дна согласованных треугольных КЭ, образованных из прямоугольника
На схеме расслоения прямоугольника приведены местные системы координат прямоугольных и треугольных КЭ и соответствие их номеров узлов. В программе для прямоугольного КЭ имеется оператор коррекции типа элемента (идентификатор 1Т): 1Т= ГГ+ КОКЯГГ. что позволяет, изменяя значение одной постоянной KORR.IT в исходных данных, выполнять расчеты с разными КЭ в конечно-элементной расчетной схеме задачи.
Для оценки точности решения и достаточности густоты сетки элементов первый расчет конструкции выполняют, используя типовой прямоугольный КЭ, второй — с прямоугольным элементом, образованным из двух трсугольгых элементов. По результатам расчетов можно судить о точности полученного решения, а результаты расчетов конс трукции на различных сетках и различных КЭ могут быть использованы для их дальнейшей экстраполяции.
11рименснис прямоугольных КЭ, образованных из двух треугольных элементов, обладает рядом преимуществ. Во-первых, в расчетной схеме задачи используются друг ие КЭ, а во-вторых, можно увеличить число КЭ в модели задачи в два раза, практически не изменяя исходные данные.
Выполненные расчеты проекта емкости-реактора показали высокую жесткость стержней каркаса, т. е. линейные перемещения из плоскости днища, боковой и задней стенок узлов стержневых КЭ не более 0,02 мм. Максимальные напряжения в стержнях 81,2 МПа. В то же время максимальные линейные перемещения из плоскости боковой стенки и днища в узлах прямоугольных КЭ оболочки соответственно 7,4 и 7,5 мм. Напряжения в прямоугольных КЭ в средней части днища и в нижних зонах боковой и задней стенок на высо те 400—500 мм от днища в зонах поперечин достигают 160—170 МПа.
С целью выбора конструкции стержневого каркаса на основе расчетной схемы проекта емкости-реактора, путем варьирования сечениями стержней, были выполнены многовариантные численные эксперименты. По результатам сравнительных расчетов различных конструкций стержневого каркаса емкости-реактора наиболее приемлемые по напряженно-деформированному состоянию следующие два варианта каркаса емкос-
б)
№ 3 2007
ги-рсактора: стержневой каркас с двумя лонжеронами, делящими ширину бака на грп равные части, из трубы профильной 80x80x4 и с дополнительным стержневым поясом также из трубы профильной 80x80x4 в нижней части бака на высоте 500 мм от дпшца; стержневой каркас из грубы профильной 80x80x4 только с двумя лонжеронами, делящими ширину бака па три равные части, и также its трубы профильной 80x80x4.
При расчетах вариантов емкости-реактора изменения в исходных данных необходимы только для балочных Ю. По результатам расчетов построены ипоры прогибов из плоскости вдоль днища и нормальных напряжений вдоль боковой стенки па высоте 485 мм от днища (рис. 3).
юно и:>о
Длина, им
510
а)
Рис. .3. Напряженно-деформированное состояние емкоеш-реактора: а шюры .пшенных перемещении вдоль днища: о — :>шоры нормальных напряжений вдоль боковой стенки; / предложенный проект; 2 — с двумя
лонжеронами по ширине бака и с дополнительным стержневым поясом в нижней части бака:.?
лонжеронами но ширине бака; П — поперечины днища и боковой стенки
с двумя
По результатам сравнительных расчетов вариантов конструкций емкости-реактора были предложены следующие рекомендации.
1. Каркас емкости-реактора изготавливать из трубы профильной 80x80x4 с двумя лонжеронами.
2. При установке емкости-реактора па опоры в его средней части рассмотреть возможность подвести опоры под трубу профильную с целью уменьшения крутящего мо-
№ 3 2007
менга, действующего на поперечные стержни стенок емкости в местах установки опор.
3. Рассмотреть целесообразность установки дополнительного стержневого пояса в нижней части емкости-реактора.
Предложенная конструкция каркаса емкости-реактора позволила уменьшить его массу на 635 кг.
