CC BY
19
УДК 621.795.75-52
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ РАСЧЕТЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАКОВ Тяганов Денис Сергеевич, студент, (e-mail: tyaganov95@mail.ru) Котельников Анатолий Александрович, к.т.н.
Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия (e-mail: kotelnikov.anatoliy@mail.ru)
В данной статье представлено исследование напряженно - деформированного состояния сварной конструкции - аккумуляторного бака. Приведен сравнительный анализ результатов расчета методом сопротивления материалов и методом конечных элементов.
Ключевые слова: метод конечных элементов, допускаемые напряжения, аккумуляторный бак
Баки для хранения жидкости (баки-аккумуляторы) используются для аккумуляции тепловой энергии горячей воды на теплоэлектроцентралях, атомных электростанциях, котельных для оптимизации работы систем теплоснабжения и технологических процессов, поддержания температурного режима воды для дальнейшего использования в период максимального потребления.
Аккумуляторный бак изображен на рисунке 1. Он имеет следующие основные характеристики:
V=6 м - объём бака;
Н=3052 мм - высота бака;
D=1616 мм - внешний диаметр;
S=20 мм - толщина стенки.
Бак состоит из следующих конструктивных элементов: цилиндрических обечаек 1, изготовленные из листовой стали; подводящего патрубка холодной воды 2; отводящего патрубка горячей воды 3; кронштейнов для транспортировки и крепления 4; фланца 5; днища 6.
Бак выполнен из материала Ст3, рассчитанная масса составляет 2800 кг.
Рисунок 1- Бак-аккумулятор
Основное требование к сварной конструкции заключается в том, что значения напряжений от реального нагружения должно быть меньше допускаемых напряжений. Однако, не всегда удается воспроизвести во время испытаний реальную нагрузку, особенно эта проблема актуальна для крупногабаритных изделий. В таких случаях необходимо использовать другие методы исследований. Исследование методом конечных элементов (КЭ) позволит смоделировать нагружения, максимально приближенные к реальному, с достаточной точностью вычислить напряжения, в отличие от метода сопротивления материалов, где задается слишком большой запас прочности.
Расчет бака методом сопротивления материалов
Основное требование к сварной конструкции заключается в том, что значения напряжений от реального нагружения должно быть меньше допускаемых напряжений.
Учитывая, что эксплуатация бака-аккумулятора проводится в вертикальном положении и закрепление производится за его днище, анализируем напряжения, возникающие в обечайке при нагружении.
Расчет на прочность цилиндрической обечайки под внутренним давлением показал, что для данной детали:
Допускаемое напряжение [а] = 150,9 МПа;
Допускаемое давление [р] = 3,78 МПа.
Также были определены напряжения, возникающие в обечайке при на-
гружении.
Результаты зависимости напряжений в обечайке от давления представлены в таблице 1. Таблица 1
Давление, МПа 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Напряжение,МПа 24,6 3 49,26 73,89 98,5 123,1 5
Анализируя результаты, полученные при использовании метода сопротивления материалов, делаем вывод, что прикладывать нагрузку большую, той, чем может выдержать стойка нецелесообразно. Таким образом, имеет смысл нагружать сварную конструкцию давлением, не превышающим [р] = 3,78 МПа.
Анализ напряженно - деформированного состояния стойки в UGS NX решателем NX Nastran, в SolidWorks Simulation и в Компас-ЭБ V16
(APM FEM).
Для того чтобы анализ был достоверным, были созданы трехмерные модели бака со сварными швами в каждой из программ. Во всех трех случаях была применена сетка 50 мм и фиксированное крепление бака за днище. Анализировать напряженно-деформированное состояние будем в обечайке.
Рисунок 2 - Трехмерная модель бака аккумулятора в программе SolidWorks
Расчет в программе Компас - 3D V16 (полученные решателем APM FEM) показал, что набольшее напряжение в обечайке с внутренней стороны, где расположено отверстие под патрубок, как показано на рисунке 3.
Стоит отметить, что в зонах, не ослабленных отверстием, напряжения в обечайке при давлении значительно ниже, (например, при давлении 2 МПа не превышают 80 МПа). Значения максимальных напряжений в обечайке в зависимости от давления представлены в таблице 2.
Таблица 2
Давление, МПа 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Напряжение в обечайке, МПа 40,4 80,8 121,2 161,6 202
Расчет в SolidWorks Simulation также показал, что максимальное напряжение в обечайке находится с внутренней стороны возле отверстия, однако значения напряжений значительно превышают те, которые были получены в APM FEM. Напряжения в зонах, не ослабленных отверстием при давлении 2 МПа, не превышают 90 МПа.
Рисунок 4 - Распределение напряжений в краевой зоне в программе
SolidWorks Simulation
Зависимость значений напряжения от нагружения баллона представлена в таблице 3.
Таблица 3
Давление, МПа 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Напряжение в обечайке, МПа 60,79 121,57 182,36 243,15 303,94
Распределение напряжений при расчете в NX Nastran совпадает с распределением, которое было получено в SolidWorks Simulation. Зависимость значений напряжения от нагружения баллона представлена в таблице 4.
г
Нк ■ 1
Рисунок 5 - Распределение напряжений при расчете в КХ Кав1хап Таблица 4
Давление, МПа 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Напряжение в обечайке, МПа 66,04 132,07 198,11 264,15 330,19
Сравнительный анализ результатов расчета методом сопротивления материалов и методом конечных элементов.
В результате расчета, постпроцессор выдает эпюру эквивалентных напряжений по элементам /узлам (элементам) по критерию фон Мизеса (4 теория прочности).
На рисунке 6 представлены зависимости напряжений от прикладываемого к баку давления, полученные при расчете методом сопротивления материалов и методом конечных элементов в различных программах.
350 Н 1С 1Г 1| э: я Ж К HI и я Е $ о б е »L 1с И Л к е Сопромат APM FEM SW Simulation NX Nastran
300 250
л с
„, 200 к I V а 150
е= л X
100 50
0 С 0 5 Д ав Л( 1 ;н 5 ие /1Г 1а 2 5
Рисунок 6 - Зависимости напряжений от прикладываемого к баллону давления в обечайке
Из полученных зависимостей видно, что наиболее приближены к значениям, полученным методом сопротивления материалов значения, полученные решателем APM FEM (КОМПАС). Так же выяснилось, что при максимальном значении силы, найденной методом сопротивления материалов значение коэффициента запаса прочности меньше единицы, что необходимо учесть при расчете конструкции.
Вывод
При проектировании аккумуляторных баков стоит учитывать, что наиболее нагруженными зонами являются отверстия под патрубки. Расчет МКЭ позволяет визуально оценить распределение напряжений в металлоконструкции. Так, например, в наименее нагруженных зонах можно уменьшить толщину металла, а зону приварки патрубков можно дополнительно усилить кольцом, как показано на рисунке 7.
г
-
himjiuumi ттшщи.1
.ГиГт.Дм JIL.LIIJ.IIL.
Рисунок 7 - Приварка патрубков усиливающим кольцом
Таким образом, совместное использование различных методов расчёта напряженно-деформированного состояния сварных конструкций позволяет рационально спроектировать изделие при минимальном расходе материала с заданным коэффициентом запаса прочности.
Список литературы
1. Котельников А.А., Абышев К.И., Алпеева Е.В. Применение метода конечных элементов в расчетах сварных конструкций: монография/ Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2014. 128 с.
2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. — 10-е изд., пе-рераб. и доп.—М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999. — Т.2. — 592с. — (Механика в техническом университете).
3. Алпеева Т. В. Роботизированная сварка многосортаментных трубчатых элементов: монография./Т. В. Алпеева, В. М. Емельянов, А. А. Котельников; Юго-Зап. гос. унт. Курск, 2011 128 с.:ил.50, табл. 2. Библиогр.: с. 117-127.
4. Родионова И. Н., Алпеева Е. В., Котельников А. А. Применение функционально-стоимостного анализа для определения эффективности программ для расчёта сварных конструкций методом конечных элементов./ «Известия Юго-Западного государственного университета». Серия Экономика. Социология. Менеджмент. 2013. №4. С. 111113.
5. Евсигнеева Н. А., Котельников А. А. Применение метода конечных элементов при расчёте сварной конструкции./ «Сварочное производство». 2018. №3. с 45-48.
6. Абышев К. И., Котельников А. А. Применение метода конечных элементов при расчёте сварной конструкции. «Сварочное производство». 2016. №2. с 3-6.
7. Котельников А. А. Компьютерные моделирование в сварочном производстве: Учебное пособие/ А. А. Котельников, К. И. Абышев, Е. В. Алпеева, А. А. Брусенцев; Юго-Зап. гос. ун-т, Курск, 2013. 228 с.: ил.258. Библиогр.:с. 222-223.
8. Котельников А. А. CAD/CAM/CAE системы: учеб. пособие/: Учебное пособие/ А. А. Котельников; Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, ЗАО «Университетская книга», 2014. 336 с.: ил.169. Библиогр.:с. 333-334.
9. Котельников А. А. Компьютерные технологии в сварочном производстве: Учебное пособие/ А. А. Котельников; Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, ЗАО «Университетская книга», 2016. 239 с.: ил.104. Библиогр.:с. 239.
10. Котельников А. А. Системы автоматизированного проектирования в сварке: Учебное пособие/А. А. Котельников, Н.И. Иванов; Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, ЗАО «Университетская книга», 2019. 234 с.: ил.160. Библиогр.:с. 232-233.
11. Котельников А. А. Программное обеспечение машинной графики: Учебное пособие/А. А. Котельников, А. Ю. Головенков, А. С. Натаров, В. Ю. Рюмшин; Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, ЗАО «Университетская книга», 2019. 232 с.: ил.233. Библиогр.:с. 228-231.
12. Автоматизация ускоренной технологической подготовки производства пилотных экземпляров продукции в условиях серийного выпуска изделий/ Пономарев В.В., Чевычелов С.А.// Известия Курского государственного технического университета. 2010. № 4 (33). С. 82a-87.
13. Построение модели формообразования длинных валов С РК - профилем сборной дисковой фрезой/ Куц В.В., Пономарев В.В.// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2017. № 2 (322). С. 110-115.
14. Стратегия автоматизации технологической подготовки производства изделий/ Яцун Е.И., Ремнев А.И., Пономарев В.В., Погонин Д.А.// Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2012. № 2. С. 49.
15. Применение современных систем прочностного анализа для исследования напряжённо-деформированного состояния протяжного инструмента/ Сидорова В.В., Пономарев В.В.// В сборнике: Современные материалы, техника и технология, материалы Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор Горохов
A.А.. 2011. С. 298-304.
16. Определение геометрических параметров срезаемого слоя при сверлении цветных металлов и сплавов с наложением осевых вибраций/ Емельянов С.Г., Сидорова
B.В., Пономарев В.В., Разумов М.С.// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2016. № 11. С. 45-47.
17. Применение объектной модели технологического проектирования в современных автоматизированных системах технологической подготовки производства/ Пономарев В.В.// В сборнике: Инновации, качество и сервис в технике и технологиях, Материалы I Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Яцун Е.И.. Курск, 2009. С. 16-19.
18. Автоматизация процесса перехода от опытных единичных технологий к типовым и групповым технологическим процессам в условиях серийного выпуска изделий/ Пономарев В.В.// В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации, материалы VIII Международной научно-технической конференции: в 2 частях. Ответственный редактор: Е.И. Яцун. 2011. С. 289-294.
19. Рационализация технологических процессов изготовления и сборки изделий при переходе от опытного к серийному производству/ Пономарев В.В.// В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации, материалы IX-ой Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А.А.. 2012. С. 290-294.
20. Компьютерные технологии в сварочном производстве/ Рыжков Ф.Н., Крюков В.А., Котельников А. А.// Курск, 2000.
21. Котельников А. А., Абышев К.И., Алпеева Е.В., Компьютерное моделирование в сварочном производстве/ Брусенцев А. А.// Курск, 2013.
22. Роботизированная сварка многосортаментных трубчатых элементов/ Алпеева Т.В., Емельянов В.М., Котельников А.А.// Минобрнауки России, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования "Юго-Западный гос. ун-т". Курск, 2011.
23. Применение метода конечных элементов в расчётах сварных конструкций/ Котельников А. А., Абышев К.И., Алпеева Е.В.// Курск, 2014.
24. Технологическое оборудование и оснастка в составе ртк сборки и сварки крупногабаритных узлов/ Алпеева Т.В., Котельников А.А.// Сварочное производство. 2006. № 4. С. 33-35.
25. Оптимальные параметры диффузионной сварки титановых сплавов различного фазового состава/ Гельман А. А., Колодкин Н.И., Котельников А. А., Башурин А.В.// Автоматическая сварка. 1977. № 4. С. 53-57.
26. Видеосенсорное устройство/ Котельников А.А., Дмитриев С.В.// патент на изобретение RUS 2155653 08.06.1998
27. Применение метода конечных элементов при расчете сварной двутавровой балки/ Котельников А.А., Алпеева Е.В.// В сборнике: Перспективное развитие науки, техники и технологий, материалы 3-й Международной научно-практической конференции: в 3-х томах. Ответственный редактор Горохов А.А.. 2013. С. 168-171.
28. CAD/CAM/CAE системы/ Котельников А.А.// учебное пособие / Курск, 2014.
29. Определение закономерности перемещения подвижного электрода в процессе конденсаторной сварки крестообразных проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 4 (7). С. 73-80.
30. Определение закономерности изменения температуры в зоне контакта при кон-
денсаторной сварке проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков А. А.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 1 (9). С. 108-113.
31. Экспериментальная установка для контактной сварки технологических образцов межэлементных соединений аккумуляторных батарей/ Иванов Н.И., Борисов П.Ю. Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 96-100.
32. Стабилизация температуры нагрева регулированием усилия осадки при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 3 (11). С. 51-59.
33. Анализ влияния параметров процесса на температуру при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 2 (10). С. 40-50.
34. Исследование кинетики формирования т-образных соединений малогабаритных деталей при контактной сварке с комбинированным механизмом осадки/ Иванов Н.И., Волков Б.В.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2012. № 2-3. С. 22-25.
35. Анализ методов автоматического управления процессом контактной сварки т-образных соединений малогабаритных деталей/ Иванов Н.И.// Сварочное производство. 2003. № 8. С. 20-25.
36. Разработка бытового аппарата для контактной сварки с инверторным источником питания/ Иванов Н.И., Абышев К.И., Романенко Д.Н., Маслов Г.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 1 (4). С. 71-75.
37. Проектирование вторичного контура бытового аппарата для контактной сварки/ Иванов Н.И., Маслов Г.С., Шумаков А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 1 (4). С. 76-82.
Tyaganov Denis Sergeevich, student (e-mail: tyaganov95@mail.ru)
Kotelnikov Anatoliy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor
Southwest State University, Kursk, Russia
Calculating welded structures by the finite-element method
Abstract. The article presents the stress-strain state research results of the battery tank welded construction. A comparative analysis of the calculation results was carried out using the materials resistance method and finite element method. Key words: finite element method, allowable stress, battery tank.
