CC BY
21
УДК 539.3:678-462 САВЕНКОВ В Н., (ДонНТУ)
Расчет рациональных параметров многослойных полимерно-металлических гибких труб
Постановка проблемы
Важным направлением в ресурсосбережении при транспортировке жидкостей и газов под давлением является применение многослойных полимерных гибких труб, армированных металлическими спиральными каркасами.
Достоинствами труб являются:
- надежность и долговечность в агрессивных средах, высокая абразивная стойкость;
- гибкость и большая строительная длина позволяют сократить затраты и время на строительство трубопроводов, улучшают условия труда рабочих. Стоимость строительства трубопровода из гибких труб ниже стоимости строительства трубопровода из стальных труб;
- улучшенная и стабильная во времени гидравлическая характеристика, повышенная (до 30% по сравнению со стальными трубами) пропускная способность.
Анализ последних достижений
При проектировании гибких труб используются различные модели, представляющие реальные конструкции труб в расчетах.
Так, в работах [1] - [3] гибкие трубы рассматриваются как анизотропные многослойные оболочки, в которых механические свойства слоев приравниваются к свойствам реальных слоев гибких труб.
Хорошим приближением к реальным конструкциям гибких труб является комбинированная система, составленная из сплошных слоев и спирально навитых стержневых элементов [4].
В приведенных выше работах расчеты гибких труб проводятся аналитически в ре-
зультате решения уравнений механики сплошных сред и стержневых систем.
Цель работы
Исследование напряженно-
деформированного состояния многослойной полимерно-металлической гибкой трубы численно методом конечных элементов.
На рисунке 1 приведена конструкция гибкой трубы, состоящей из герметизирующей камеры 1, металлического спирального каркаса 2, двух грузонесущих слоев 3 и 4, навитых из металлокорда, и защитного слоя 5.
Материал герметизирующей камеры и защитного слоя - полиэтилен. Модуль Юнга полиэтилена Е = 800 МПа, коэффициент Пуассона V = 0,43. Внутренний диаметр герметизирующей камеры 74 мм, толщина - 8 мм. Внутренний диаметр защитного слоя 99,6 мм, толщина - 5 мм.
Каркас навивается из стальной ленты с поперечным сечением
20^1,6 мм и углом навивки относительно оси трубы ф = 86°. Грузонесущие слои составлены из металлокорда в полиэтиленовой оболочке. Модуль упругости нити металлокорда в продольном направлении Е = 1,7 105 МПа. Объемная доля металлокорда в грузонесущих слоях у = 0,164. Толщина каждого защитного слоя 1,6 мм.
Разработана модель данной гибкой трубы для расчета методом конечных элементов (МКЭ) в среде вычислительного комплекса ЛШУБ.
В качестве модели трубы принята многослойная анизотропная оболочка, которая разбивается на конечные элементы 8ИБЬЬ91 (рисунок 2).
Рисунок 1.- Многослойная гибкая труба: 1 - герметизирующая камера; 2 - спиральный каркас; 3, 4 - грузонесущие слои; 5 - каркас
Рисунок 2. - Расчетная модель гибкой трубы
Свойства материалов слоев задаются в элементной системе координат Х0, У0, показанной на рисунке 2. Каркас и грузоне-сущие слои в расчетной модели представлены ортотропными слоями. Главные направления упругости в ортотропном /-том слое определяются осями X , Г , повернутыми относительно исходной элементной системы координат Х0, Г0, 10 на угол 0г- .
Направление с максимальной жесткостью в каркасном слое совпадает с направлением навивки ленты, в грузонесущих слоях - с направлением нитей металлокорда. Углы навивки каркаса и нитей металлокорда фг- связаны с углом поворота координатной системы элемента соотношением фг- = 90° - 0г- .Слой герметизирующей камеры и защитный слой принимаются изотропными.
Технические постоянные упругости гру-зонесущих слоев определены через упругие постоянные волокон (металлокорда) и матрицы (полиэтилена) по соотношениям [5]
Е1 = УЕв + (1 - У)Ем
Е,
Ев Еш
а
УЕм +(1 -У)Ев
авам
12
^ам +(1 -^)ав
а =
Е
а. =
Е
2(1 + у в)' м 2(1 + у м )
(1) (2) (3) ; (4)
v12 = w +(l -y)v м; V 21
V12E2 E
, (5)
где Е\, Е2 - соответственно модули Юнга композитного слоя вдоль и поперек волокон; Ев, Ем - соответственно модули Юнга материала волокон (металлокорда) и материала матрицы (полиэтилена); у - объемная доля волокон в грузонесущем слое; G12 - модуль сдвига композитного слоя; Gв, Ом - соответственно модули сдвига материала волокон и материала матрицы; У12, У21 - соответственно коэффициенты Пуассона композитного слоя при действии растягивающей нагрузки вдоль волокон (направление 1) и при действии растягивающей нагрузки поперек волокон (направление 2); ув, vм -соответственно коэффициенты Пуассона материала волокон и материала матрицы.
Упругие характеристики каркаса определены методами сопротивления материалов для спирально навитого стержня с реальными характеристиками жесткости в различных направлениях [1].
Характеристики упругости слоев гибкой трубы, вычисленные по соотношениям (1) -(5) , приведены в таблице.
Расчет проведен в нелинейной постановке при больших деформациях и перемещениях.
Результаты расчета содержат информацию о деформациях и напряжениях в слоях оболочки. Анализ полученных результатов позволяет выбрать оптимальные геометрические параметры и свойства материалов элемен-
тов каркаса и грузонесущих слоев при конструировании гибких труб с учетом характера прикладываемых нагрузок.
Одним из главных требований, предъявляемых к конструкциям гибких труб, содержащих спирально навитые слои, является отсутствие раскручивания трубы при действии внутреннего давления и продольной растягивающей силы. Для выполнения этого условия получены зависимости между углами навивки грузонесущих слоев, при которых уравновешиваются крутящие моменты в каркасе и гру-зонесущих слоях.
Для рассматриваемой трубы равновесие слоев в отношении закручивания выполняется при углах навивки фг- каркаса, внутреннего и наружного грузонесущих слоев равных соответственно 86°, 10° и -36°.
Расчеты позволяют оценить влияние краевого эффекта на распределение напряжений по концам гибкой трубы в местах ее соединения с фланцами. На рисунке 3 приведен график изменения диаметра
Дd рассматриваемой трубы по ее длине Ь при внутреннем давлении в трубе 5 МПа. Как видно из рисунка, краевой эффект проявляется на небольшой длине (0,07 м) и увеличение диаметра на концах трубы незначительно. Поэтому и напряжения в силовых элементах слоев практически постоянны по длине трубы. Так, растягивающие напряжения в каркасе вдали от концов трубы составляют 264 МПа, а по концам трубы - 268 МПа.
Таблица 1.- Характеристики упругости слоев гибкой трубы
Характеристики герметизирующая каркас грузонесущие
упругости слоев камера и защитный слой слои
БХЬ Па 8108 1 9,56108
EYb Па 8108 2,1-10" 0,285 1011
EZb Па 8108 2,1-10" 0,285 1011
PRXiYi 0,43 0 0,0137
PRYiZi 0,43 0,3 0,409
PRXiZi 0,43 0 0,0137
GXiYi, Па 2,73-108 1 3,346 108
GYiZi, Па 2,73-108 81010 3,346 108
GXiZi, Па 2,73-108 81010 2,8 • 108
М, мм
0,250 г , III
0,225 ----------
0,200 ----------
0,175----------
0,150----------
0,125----------
0,100----------
0,075 ----------
0,050 ----------
0,025 ----------
0 __________
0 0,15 0,3 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,20 1,35 1,м
Рисунок 3. - Изменение диаметра гибкой трубы по ее длине при действии внутреннего давления
Большее влияние краевого эффекта наблюдается при изгибе трубы, так как при этом изменяется форма поперечного сечения - труба сплющивается вдали от соединений с фланцами.
Выводы
Разработанная расчетная модель полимерно-металлической гибкой трубы в виде многослойной анизотропной оболочки позволяет численно исследовать напряженно-деформированное состояние элементов трубы и определять оптимальные конструктивные параметры руб в зависимости от условий их эксплуатации.
Список литературы
1. Савенков В. Н., Солодова Л. А. Напряженно-деформированное состояние многослойной композитной гибкой трубы, армированной спиральным каркасом. - Механика композитных материалов, 1987, № 6, с. 1061-1067.
2. Савенков В. Н., Солодова Л. А. Расчет многослойных композитных труб при чистом изгибе. - Известия вузов.Строительство и архитектура, 1988, № 11, с. 24-28.
3. Можаровский Н. С., Савенков В. Н., Солодова Л. А. Метод расчета многослойных полимерно-металлических гибких труб. - Проблемы прочности, 1991, № 2, с. 62 с. 62-66.
4. Савенков В. Н., Солодова Л. А. Комбинированная многослойная труба под действием осесимметричных нагрузок. - Сопротивление материалов и теория сооружений. - Киев, 1989, № 54, с. 95-99.
5. Алфутов Н. А., Зиновьев П. А., Попов Б. Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М., 1984. 264 с.
Аннотации:
Исследуется напряженно-деформированное состояние многослойной полимерно-металлической гибкой трубы методом конечных элементов. Труба состоит из герметизирующей камеры, металлического спирального каркаса, двух грузонесущих слоев, навитых из металлокорда, и защитного слоя.
Разработана модель данной гибкой трубы для расчета методом конечных элементов в среде вычислительного комплекса ANSYS. В качестве модели трубы принята многослойная анизотропная оболочка, которая разбивается на конечные элементы 8ИБЬЬ91. Расчет проведен в нелинейной постановке при больших деформациях и перемещениях.
Результаты расчета содержат информацию о деформациях и напряжениях в слоях оболочки. Анализ полученных результатов позволяет выбрать оптималь-
ные геометрические параметры и свойства материалов элементов каркаса и грузонесущих слоев при конструировании гибких труб с учетом характера прикладываемых нагрузок.
Дослвджуеться напружено-деформований стан багатошарово! пол1мерно-металево1 гнучко! труби методом шнцевих елеменпв. Труба складаеться з камери, що герметизуе, металевого стрального каркаса, двох вантажонесучих шар1в, навитих з металокорду, 1 захис-ного шару.
Розроблено модель дано! гнучко! труби для роз-рахунку методом к1нцевих елеменпв у середовищ1 об-числювального комплексу ANSYS. Як модель труби прийнята багатошарова ашзотропна оболонка, що роз-биваеться на шнцев1 елементи SHELL91. Розрахунок проведений у нелшшнш постановщ при великих дефо-рмащях 1 перемщеннях.
Результати розрахунку м1стять шформацш про деформацп й напруження в шарах оболонки. Анал1з отриманих результата дозволяе вибрати оптимальш геометричш параметри й властивосп матер1ал1в елеме-
нпв каркаса й вантажонесучих шарiв при конструю-ванш гнучких труб з урахуванням характеру наванта-жень, що прикладаються.
We study the stress-strain state of multilayer polymer-metallic flexible pipes by finite element method. Pipe consists of a sealing chamber, a metal spiral frame, two load-bearing layers of steel cord wound, and a protective layer.
Developed a model of the flexible pipe for the calculation method of finite elements in the environment of computing system ANSYS. As a model of the pipe adopted multilayer anisotropic shell, which is divided into finite elements SHELL91.The calculation is performed in a nonlinear formulation for large deformations and displacements.
The calculation results contain information about the strains and stresses in the layers of the shell. Analysis of the results allows you to select the optimum geometrical parameters and material properties of elements of the frame and load-bearing layers in the design of flexible pipes to the nature of the applied loads.
УДК 625.032.432
РИБК1Н В. В., д.т.н., проф., (ДНУЗТ), КАЛЕНИК К. Л. аспирант(ДНУЗТ;.
Нормативи утримання бокового напрямку стрiлочних переводiв по ширинi колil та за напрямком у план
Вступ
Д1юча система норматив1в утримання стршочних перевод1в [1] враховуе лише норми та допуски утримання по шириш колп та за напрямком у плаш. В цш систем! не юнують, як це прийнято для звичайно! колп, нормоваш ступеш вщстутв. Кр1м того щ нормативи були розроблеш за результатами статистичних та експериментальних дослщжень стршочних перевод1в лише на дерев'яних брусах [2-3] . Експериментальш дослщження [3] не врахо-вували вплив плану та профшю стршочного переводу на взаемодп колп та рухомого складу. Дослщженнях [4] були присвячеш впливу стану в профш та в плаш на взаемод1ю. Але 1 щ дослщження мали недолши:
• нер1вносп в плаш та профш анал1зува-лись окремо;
• стршочш переводи до початку експе-рименту вже мали початков1 нер1вносп, але 1х вплив не анал1зувався. В результат тсля ула-штування штучних нер1вностей максимальш значення показниюв взаемодп були отримаш за межами експериментального участку.
• в теоретичнш частиш дослщжень вико-ристовувались плосю математичш модел1 взаемодп, хоча результати експеримент1в свщчи-ли про сумарний вплив нер1вностей в плаш 1 профш на взаемод1ю.
• Не наведеш схеми розташування дат-чик1в.
Ц обставини стали причиною проведен-ня дослщжень з розробки нових норматив1в
