CC BY
70
УДК 621.795.75-52
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ РАСЧЕТЕ СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ СЕКЦИИ Головенков А.Ю., студент, (e-mail: ekzakias@yandex.ru) Котельников А.А., канд.техн. наук Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия (e-mail: kotelnikov.anatoliy@mail.ru)
В статье представлено исследование напряженно - деформированного состояния сварной конструкции стойки. Приведен сравнительный анализ результатов расчета методом сопротивления материалов и методом конечных элементов.
Ключевые слова: метод конечных элементов, допускаемые напряжения, магистральный трубопровод, секция
Труба — длинный пустотелый, чаще округлый предмет, промышленное изделие на основе полого профиля постоянного сечения для провода жидкостей, растворов, газа, пара и так далее.
Трубы стальные магистральные изготавливают прямошовными и спральношовными, диаметром 529—2560 мм и толщиной стенки 8—25 мм. Сталь должна хорошо свариваться стыковой, контактной и дуговыми методами сварки. Критерии оценки пригодности материала: время до разрушения и пороговое напряжение. Для материала труб, которые используются в сложных климатических условиях, важным является снижение температуры, при которой наступает хрупкость металла, повышение его вязких свойств, которые определяются на образцах с круглым надрезом при минимальной температуре -60°С и на образцах с острым надрезом при минимально возможной температуре эксплуатации -20°С.
о о
10437
21611
Рисунок 1 - Секция
Главный нормативный документ, касающийся магистральных труб -ГОСТ 20295-85.
Секция выполнена из материала Ст20, рассчитанная масса секции 12858 кг.
Секция магистрального трубопровода, изображенная на рисунке 1. имеет следующие основные характеристики:
1. Длина - 21611 см.
2. Внешний диаметр - 1020 см.
3. Толщина стенки - 10 мм.
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.
Анализ напряженно - деформированного состояния секции в UGS NX решателем NX Nastran и в Компас-ЭБ V16(APM FEM).
Для проведения расчета в СДО-модуле программы были созданы трехмерные модели составных частей стойки и трехмерная сборка готового изделия со сварными швами (рис. 2)
Рисунок 2 - Трёхмерная модель секции
В программе Компас -3D У16(полученные решателем APM FEM) при нагружении детали выявили «слабое место» конструкции - участок с мак-
симальным напряжением - торцевая заглушка секции трубопровода (Рис.3) по нему и будем вести дальнейшие расчёты.
Рисунок 3 - Трёхмерная модель секции с участками с максимальным
и минимальным напряжениями
Расчет секции 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 секции трубопровода проводится в горизонтальном положении, то закрепление производится за свободный от заглушки торец.
Расчет на прочность показал, что для данной детали:
Допускаемое напряжение [а] = 245 МПа;
Допускаемое давление [р] = 6,17 МПа.
Также были определены напряжения, возникающие при нагружении.
Результаты зависимости напряжений в секции от давления представлены в таблице 1.
Таблица 1
Давление, МПа 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Напряжение,МПа 40,29 80,59 120,88 161,18 201,47
Проанализировав результаты, полученные при использовании метода сопротивления материалов, делаем вывод, что прикладывать нагрузку большую, чем может выдержать секция нецелесообразно. Следовательно, имеет смысл нагружать сварную конструкцию давлением, не превышающим [р] = 6,17 МПа.
Сравнительный анализ результатов расчета методом сопротивления материалов и методом конечных элементов.
Для достоверности исследования были созданы трехмерные модели секции со сварными швами в каждой из программ. Во обоих случаях была применена сетка 200 мм и фиксированное крепление секции за свободный от заглушки торец.
Расчет в программе Компас - 3D V16 (полученные решателем APM FEM) показал, что набольшее напряжение в торцевой заглушке трубы, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 - Максимальное напряжение секции при расчете APM FEM
Значения максимальных напряжений в секции 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 66,08 132,16 198,24 264,33 330,41
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.
Рисунок 5 - Распределение напряжений при расчете в NX Nastran
Таблица 4
Давление, МПа 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Напряжение в обечайке, МПа 71,06 142,13 213,2 284,27 355,33
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.
Наряжения в секции трубопровода
400
350
300
га С
250
<и
s
ос
CL С
га X
200
150
100
50
0,5
1 1,5 2
Давление, МПа
2,5
■ Соромат
•АРМ FEM
NX Nastran
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
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 государствен-
ного 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. САО/САМ/САЕ 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. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. 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 !Х-ой Международной научно-практической конференции. Ответст-
венный редактор: Горохов А.А.. 2012. С. 290-294.
19. Организация технологической подготовки производста изделий с использованием поэтапной автоматизации проектирования/ Пономарев В.В.// В сборнике: Машиностроение - основа технологического развития России (ТМ-2013) сборник научных статей V Международной научно-технической конференции. 2013. С. 523-527.
20. Анализ конструкции фрез и пластин фирмы TAEGUTEC/ Жердева Н.Д., Круговых К.В., Пономарев В.В.// В сборнике: Перспективное развитие науки, техники и технологий, сборник научных статей материалы IV Международной научно-практической конференции.. 2014. С. 98-102.
21. Determining the geometric parameters of a sheared layer in drilling of nonferrous metals and alloys with the use of axial vibrations/ Emel'yanov S.G., Sidorova V.V., Ponomarev V.V., Razumov M.S.// Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Т. 52. №» 11-12. С. 796800.
22. Метод определения положения зубьев сборной дисковой фрезы с конструктивной радиальной подачей/ Куц В.В., Пономарев В.В.// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 6. С. 81-85.
23. Компьютерные технологии в сварочном производстве/ Рыжков Ф.Н., Крюков В.А., Котельников А. А.// Курск, 2000.
24. Котельников А.А., Абышев К.И., Алпеева Е.В., Компьютерное моделирование в сварочном производстве/ Брусенцев А. А.// Курск, 2013.
25. 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.
26. Применение метода конечных элементов в расчётах сварных конструкций/ Котельников А. А., Абышев К.И., Алпеева Е.В.// Курск, 2014.
27. 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.
28. 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.
29. Видеосенсорное устройство/ Котельников А.А., Дмитриев С.В.// патент на изобретение RUS 2155653 08.06.1998
30. 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.
31. CAD/CAM/CAE системы/ Котельников А.А.// учебное пособие / Курск, 2014.
32. 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.
33. Определение закономерности изменения температуры в зоне контакта при конденсаторной сварке проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 1 (9). С. 108-113.
34. 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.
35. 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.
36. 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.
37. 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.
38. Анализ методов автоматического управления процессом контактной сварки т-образных соединений малогабаритных деталей/ Иванов Н.И.// Сварочное производство. 2003. № 8. С. 20-25.
39. 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.
40. 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.
Golovenkov Andrey Yurievich, student (e-mail: ekzakias@yandex.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 crushing drum 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 stresses, main pipeline, section.
