CC BY
30
УДК69.07
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10102
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХСЛОЙНОГО ШАРОВОГО РЕЗЕРВУАРА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ SCAD
DEVELOPMENT OF DESIGN AND METHODOLOGY FOR CONSTRUCTING A THREE-LAYER BALL RESERVOIR IN THE SCAD SOFTWARE COMPLEX
Л.И. Газалеев, М.Г. Каравайченко
Уфимский государственный нефтяной технический университет,
450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1952-1159,
E-mail: [email protected], E-mail: [email protected]
Резюме: Рассматривается разработка конструкции трехслойного шарового резервуара, а также методика построения ее в программном комплексе SCAD. Разработка материала достаточно жесткого и удовлетворяющего требованию прочности и устойчивости к воздействию различных нагрузок является весьма сложным и трудоемким процессом. Необходимость одновременного удовлетворения ряду требований приводит к идее разработки трехслойных конструкций, в которых заполнитель выполняет одну или лучше несколько функций. Подробно описана методика построения и приведена конструкция трехслойного шарового резервуара.
Ключевые слова: трехслойный шаровой резервуар, трехслойная оболочка, разработка конструкции, ферменный заполнитель, программный комплекс SCAD.
Для цитирования: Газалеев Л.И., Каравайченко М.Г. Разработка конструкции и методики построения трехслойного шарового резервуара в программном комплексе SCAD // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 1. С. 9-13.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10102
Linar I. Gazaleev, Mikhail G. Karavajtchenko
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1952-1159,
E-mail: [email protected], E-mail: [email protected]
Abstract: The development of a three-layer ball tank design is considered, as well as the method of its construction in the SCAD software package. The development of a material that is sufficiently strong, rigid and meets the requirements of strength and stability from the impact of operating loads is very complex and time-consuming. The need to simultaneously meet a number of requirements leads to the idea of developing three-layer structures in which the filler performs only one or better several functions. The construction method is described in detail and the structure of a three-layer ball tank is given.
Keywords: three-layer ball reservoir, three-layer shell, design development, truss filler, SCAD software package.
For citation: Gazaleev L.I., Karavajtchenko M.G. DEVELOPMENT OF DESIGN AND METHODOLOGY FOR CONSTRUCTING A THREE-LAYER BALL RESERVOIR IN THE SCAD SOFTWARE COMPLEX. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 1, pp. 9-13.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10102
Трехслойные оболочки являются распространенным вариантом и важным классом многослойных конструкций. Комбинируя параметры внешних слоев и заполнителя, можно добиться нужных прочностных свойств трехслойных конструкций. Одно из главных преимуществ трехслойной конструкции - выигрыш в весе стальных листов по сравнению с однослойными оболочками при должном соотношении параметров внешних оболочек и заполнителя. Рассмотрим основные подходы к исследованию оболочек, существующие в настоящее время в теории многослойных оболочек.
С увеличением области использования трехслойных конструкций возрастают требования к обеспечению их прочности. Одно из отрицательных с точки зрения прочности свойств трехслойных материалов с пористым наполнителем - низкая жесткость в направлении, перпендикулярном лицевым слоям, то есть низкая изгибная жесткость тонких слоев и низкая прочность мягкого заполнителя. В результате конструкция чувствительна к локальным нагрузкам, которые возникают как при нормальной эксплуатации (взаимодействие со смежными конструкциями в местах крепления), так и в аварийных ситуациях (падение инструмента и т.п.) [1].
В качестве заполнителя могут применять различные ребристые конструкции - сотовые, гофрового типа и складчатые или неармированные пенопласты и другие легкие материалы. Заполнитель выбирают исходя из его назначения и характеристик, но в любом случае конструкция должна обладать большой жесткостью и не приводить к утяжелению конструкции [2].
В качестве примера рассмотрим вариант трехслойной конструкции, состоящей из внешних слоев малой толщины и системы ферм, играющей роль слоя-заполнителя [3].
Конструкция трехслойной оболочки шарового резервуара:
- внутренняя и внешняя оболочки;
- срединный слой, представленный в виде ферменного заполнителя.
Внутренний слой резервуара представляет собой оболочку, собранную из отдельных стальных листов, раскроенных на заводе из прокатных листов, а затем вальцованных для придания сферической кривизны. Радиус кривизны листов равен радиусу оболочки.
Заполнитель представляет собой систему ферм, которая при выпучивании пластинок остается жесткой и создает для них дополнительные опорные закрепления. Деформации
стенки внутри каждого такого поля рассматривают как самостоятельные [4]. Ферменный заполнитель прикреплен к внешнему и внутреннему слоям уголками, которые привариваются к оболочке в местах сварки листов внутренней и внешней оболочек. Уменьшение контурных размеров полей, образованных вследствие постановки фермы, в значительной мере повышает устойчивость пластинок.
Данная конструкция изготавливается из стали марки 09Г2С. Особенностью этой марки стали является наличие свойства качественной свариваемости. Это означает, что не требуется воздействовать на нее температурой. Сварка такой стали не создает проблем, что обеспечивает низкий уровень концентрации углерода, а это делает металл после отпуска менее вязким и хрупким [5].
В настоящее время метод конечных элементов является универсальным средством анализа конструкций, и среди многообразия CAD/CAM/CAE-программ пакеты конечно-элементного анализа играют важную роль. Для их эффективного применения требуется более профессиональная подготовка, чем для изучения интерфейса и шаблонных приемов работы.
Любая строительная конструкция представляется в виде расчетной схемы. Расчетная схема выступает в виде идеализированной модели.
Для того чтобы начать работу с комплексом, необходимо установить курсор на пиктограмму SCAD и дважды нажать левую кнопку мыши. Загрузка комплекса продолжается несколько секунд.
Для создания нового проекта установить курсор на одноименную кнопку раздела Управление инструментальной панели и нажать левую кнопку мыши. На экране появляется диалоговое окно Новый проект, в котором задается информация о проекте: наименование, объект, заказчик и т.п., а также назначается тип расчетной схемы.
Затем управление передается Дереву проекта, которое содержит четыре раздела первого уровня, являющимися фактически этапами решения: Исходные данные, Расчет, Результаты и Конструирование. Работу по созданию нового проекта начинают с формирования расчетной схемы. Для этого следует установить курсор на раздел Расчетная схема. Управление будет передано графическому препроцессору, с помощью функций которого и выполяется синтез расчетной схемы [6-7].
Построение трехслойной стенки каждого пояса начинается с построения внутренней оболочки.
Раскрываем вкладку Схема и нажимаем Создание поверхности вращения. Задаем параметры поверхности в диалоговом окне Создание поверхности вращения. Для этого в разделе Вид поверхности активизируем пункт Сфера, в разделе Элементы - пункт Пластины, а в разделе Разбивка -крайнюю левую кнопку. В разделе Гзометрические характеристики вводим геометрические характеристики шарового резервуара: Радиус [R] (0) - радиус нижней секущей плоскости, радиус [r] (0) - радиус верхней секущей плоскости, Высота [H], равная диаметру резервуара, (19), Количество
Рис. 1. Диалоговое окно Создание поверхности вращения
| Рис. 2. Диалоговое окно Узлы элемента
>:. Узлы элемента
Номер <£1пз
1 102
2 83
3 103
4 64
1 Xi 2
OK
J^ Отмена
I Рис. 3. Диалоговое окно Ввод пластинчатых элементов
К* Ввод пластинчаты« элементов
О 3-х узловые пластины
® 4-х узловые пластины
Обеспечить положительность направления местной оси 2
Вычисление усилий в доп. сечениях ® 6 центрах элементоз Об узлах элементов
X
У.л
Тип элемента - 44
0 Жесткость П Направление усилий □ Упругое основание
0 и
II
h-o.oi
0 Задать элемент trutxow узлов 1 Список узлов
ок
)( Отмена
Справка
I Рис. 4. Диалоговое окно Дробление пластин
Рис.5. Диалоговое окно Ввод стержневых элементов
Рис.6. Диалоговое окно Создание поверхности вращения
элементов [пН] (20), Количество элементов [пП] (20), Угол вращения (360). Диалоговое окно принимает вид, представленный на рис. 1.
Также необходимо задаться жесткостью. Задаемся толщиной пластины, равной 10 мм. В разделе Материал выбираем Сталь качественная и нажимаем Ок, а в разделе Параметры - пункт Толщина пластин задаемся 0,01 м и нажимаем Ок.
Нажимаем кнопку Ок диалогового окна Создание поверхности вращения и получаем на экране сгенерированную программой схему внутренней оболочки шарового резервуара.
На Панели инструментов нажимаем кнопку Информация об элементе. Нажимаем на элемент, выбираем четырехугольный конечный элемент оболочки. В разделе Информация выбираем Узлы (рис. 2). Затем по номерам узлов найдем их координаты - на Панели задач нажимаем кнопку Информация об узле и вводим номер узла. Затем в новой вкладке создаем Схему и нажимаем кнопку Узлы и элементы ^ Ввод узлов (рис. 3). И вводим известные нам координаты узлов. По заданным координатам осуществляется построение элемента сферы (далее - пластины).
По такой же методике строим модель внешней оболочки двустенного шарового резервуара с геометрическими характеристиками: Радиус [П] (0), радиус [г] (0), Высота [Н] (20), Количество элементов [пН] (20), Количество элементов [пП] (20), Угол вращения (360).
Полученные две пластины разобьем на конечные элементы с помощью кнопки Дробление пластин (рис. 4).
Узлы, определяющие конечные элементы на оболочке, соединяем между обеими пластинами с помощью стержней. Подбираем пространственные стержни круглого сечения с номером жесткости 2. Длина пространственного стержня - 500 мм. Выбираем кнопку Добавление стержней (рис. 5). В окне Жесткость выбираем Трубы по ГОСТ 1070491 в разделе Полный каталог профилей ГОСТ с характеристиками пространственного стержня.
Из раздела Материал выбираем Сталь качественная и нажимаем кнопку Ок.
Построение стержней осуществляется в продольном и поперечном направлении.
Затем осуществляется построение трехслойной оболочки пояса с помощью функции Режим сборки. Построенная конструкция будет являться 1/20 частью двустенного шарового резервуара.
Конструкция трехслойного шарового резервуара имеет значительное
количество элементов, деталей и соединений. Данная методика построения двустенного шарового резервуара в комплексе SCAD позволяет относительно быстро и с наименьшей вероятностью ошибок создать необходимую модель для расчета.
Для построения общей расчетной схемы двустенного шарового резервуара также необходимо смоделировать опорные стойки. Опорные стойки задаются стержнями круглого сечения диаметром 360 мм и толщиной 20 мм. Количество опорных стоек - 20.
Раскрываем вкладку Схема и нажимаем Создание поверхности вращения. Задаем параметры поверхности в диалоговом окне Создание поверхности вращения. Для этого в разделе Вид поверхности активизируем пункт Цилиндр, в разделе Элементы - пункт Пластины, а в разделе Разбивка -крайнюю левую кнопку. В разделе Геометрические характеристики вводим геометрические характеристики шарового резервуара: Радиус [R] (0,36), радиус [r] (0), Высота [H] (14), Количество элементов [nH] (12), Количество элементов [nR] (12), Угол вращения (360). Диалоговое окно принимает вид, представленный на рис. 6.
Также необходимо задать жесткость. Задаем толщину пластины, равную 20 мм. В разделе Материал выбираем Сталь качественная и нажимаем Ок, а в разделе Параметры - в пункте Толщина пластин задаем 0,02 м и нажимаем Ок.
С помощью функции Режим сборки построим полку для соединения опоры с оболочкой резервуара. Стыковка опорных стоек происходит с помощью полки. Для более прочного соединения оболочки, присоединяемые между собой, разбиваются на меньшие конечные элементы. Также с функцией Режим сборки соединяем опору со стенкой резервуара. Полученная конструкция является 1/20 частью трехслойного шарового резервуара. Для построения целой модели трехслойного шарового резервуара последовательно соединяем конструкции с помощью функции Режим сборки.
В Панели задач выбираем Назначения, нажимаем на кнопку Установка связей в узлах. Установим направления связей в диалоговом окне - X, Y, Z, Ux, Uy, Uz. Связи присваиваются узлам, перемещение или поворот которых необходимо закрепить, опираясь исключительно на конструктивное решение рассматриваемого строения. При работе SCAD Office различают шесть видов связей: три перемещения и три поворота относительно трех глобальных осей. Закрепления X, Y, Z накалывают запрещение перемещений по соответствующим направлениям осей, а закрепления
Ux, Uy, Uz - поворот вокруг глобальных осей. Связи устанавливаем на нижних узлах опор.
В итоге получаем общую конструкцию трехслойного шарового резервуара (рис. 7).
Выводы
Анализируя все вышесказанное, можно сделать следующие выводы:
1. Разработана трехслойная конструкция шарового резервуара, позволяющая выиграть в весе, сохраняя прочность и устойчивость сооружения по сравнению с однослойными резервуарами. Опыт эксплуатации и отработки объектов с применением трехслойных пакетов показал высокую эффективность трехслойных конструкций, а порой - даже их незаменимость.
2. Разработана методика построения конструкции трехслойного резервуара в программном комплексе SCAD. Трехслойный шаровой резервуар является сооружением со сложной конструктивной схемой, состоящей из большого числа элементов. Поскольку конструкция имеет более 10 000 узлов и элементов, предоставленная методика построения конструкции трехслойного шарового резервуара позволяет минимизировать вероятность ошибок при моделировании, которые могут существенно сказаться на последующем расчете.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Койсин В.Е. Локальная прочность трехслойных конструкций с пористым наполнителем: автреф. дис. канд. техн. наук: 01.02.04. СПб., 2004. 86 с.
2. Карпиловский В.С., Криксунов Э.З. и др. Вычислительный комплекс SCAD. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2008. 592 с.
3. Nemish, Yu.N.,Sagalyuk, I.S.,Chernopiskii, D.I, Flexural rigidity of a three-layer cylindrical shell with a honeycomb filler // Strength of Materials. Vol: 26, 1994. 68 с.
4. Abot J.L. et al. Contact Law for Composite Sandwich Beams. J. of Sandwich Structures and Materials, 4(2). 2002. 174 с.
5. Карпов В.В., Игнатьев О.В., Вахрушева М.Ю., Рыбакова О.В. Трехслойные оболочки с дискретным внутренним слоем / Тр. XVIII Межд. конф. по теории оболочек и пластин. Т. 3. Саратов, 1997. С. 83-87.
6. Koissin V., Krahmalev S., Skvortsov V. The response of sandwich structures to local dynamic loading. In: Proc. of the 30th Summer School-Conference «Advanced Problems in Mechanics» // St. Petersburg, Russia, 2002. 119 с.
7. Семенов А.А., Габитов А.И. Проектно-вычислительный комплекс SCAD в учебном процессе. Ч. 1. Статический расчет. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2005. 152 с.
REFERENCES
1. Koysin V.YE. Lokal'nayaprochnost trekhsloynykh konstruktsiysporistym napolnitelem. Diss. kand. tekh. nauk [Local strength of three-layer structures with porous filler. Cand. tech. sci. diss.]. St. Petersburg, 2004. 86 p.
2. Karpilovskiy V.S., Kriksunov E.Z. Vychislitel'nyy kompleks SCAD [SCAD computer complex]. Moscow, Assotsiatsii stroitel'nykh vuzov Publ., 2008. 592 p.
3. Nemish, YU.N., Sagalyuk, I.S., Chernopiskii, D.I. Flexural rigidity of a three-layer cylindrical shell with a honeycomb filler. Strength of Materials, 1994, vol. 26, 68 p.
4. Abot J.L. Contact law for composite sandwich beams. J. of Sandwich Structures and Materials, 2002, no. 4(2), 174 p.
5. Karpov V.V., Ignat'yev O.V., Vakhrusheva M.YU., Rybakova O.V. Trekhsloynyye obolochki s diskretnym vnutrennim sloyem [Three-layer shells with a discrete inner layer]. Trudy XVIII Mezhd. konf. po teorii obolochek iplastin [Proc. of XVIII Int. conf. on the theory of shells and plates]. Saratov, 1997, pp. 83-87.
6. Koissin V., Krahmalev S., Skvortsov V. The response of sandwich structures to local dynamic loading. Proc. of the 30th Summer School-Conference «Advanced Problems in Mechanics». St. Petersburg, 2002, 119 p.
7. Semenov A.A., Gabitov A.I. Proyektno-vychislitel'nyy kompleks SCAD v uchebnom protsesse. CH. 1. Staticheskiy raschet [SCAD design and computing complex in the educational process. Part 1. Static calculation]. Moscow, Assotsiatsii stroitel'nykh vuzov Publ., 2005. 152 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Газалеев Линар Ильдарович, магистрант кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Каравайченко Михаил Георгиевич, д.т.н, проф. кафедры сооружения и ремонта газонефтепроводов и газонефтехранилищ, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Linar I. Gazaleev, Undergraduate of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Mikhail G. Karavajtchenko, Dr Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Construction and Repair of Gas and Oil Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
