Thread Content
Как мы проектируем структуру или устройство, когда сталкиваемся с ними. В данной статье рассматриваются такие аспекты, как объем проектирования с учетом напряжений, допустимое давление, температура, определение нагрузок, параметры характеристик материалов, создание механической модели, оценка прочности на напряжения, оценка прочности при усталости, особые требования к контролю качества в процессе производства, а также составление отчетов по анализу напряжений. Цель состоит в том, чтобы предоставить общие правила для процесса проектирования с учетом напряжений. 1. Какие конструкции требуют анализа напряжений? Когда конструкция или сосуд под давлением соответствует одному из следующих условий, его можно проектировать с использованием стандарта JB/T4732-1995 «Стальные сосуды под давлением — Стандарты аналитического проектирования» (подтвержден в 2005 году) или приложения D к стандарту GB/T12337-2014 «Стальные сферические резервуары»: a) Сосуды под давлением и их элементы, подвергаемые циклическим нагрузкам, в случае если условия их эксплуатации не соответствуют положениям раздела 3.10 стандарта JB/T4732, должны подвергаться анализу на усталость и оценке в соответствии с приложением C к стандарту JB/T4732 ； б) Для резервуаров под давлением или элементов, находящихся под давлением, размеры конструкции которых невозможно определить согласно стандарту GB/T150, необходимо использовать методы анализа напряжений, включая метод конечных элементов, для их проектирования ； в) После комплексной оценки на основе условий проектирования сосудов под давлением, характеристик материалов, сложности производства и экономической целесообразности, необходимо применять метод аналитического проектирования для таких сосудов под давлением, как, например: крупные высокодавленные реакторы, высокодавленные сосуды ； д) Для сферических резервуаров с большим диаметром или высоким давлением, с учетом таких факторов, как экономичность, при проектировании с использованием анализа напряжений необходимо проводить расчеты в соответствии с приложением D стандарта GB/T12337 ； е) Резервуары, по которым владелец предлагает провести проектирование с учетом анализа напряжений. 2. Как определить температуру, давление и нагрузку проектирования? (1) Расчетные давление, температура и нагрузка определяются в соответствии с пунктами 3.6.3.1, 3.6.3.2 и 3.6.3.3 стандарта JB/T4732, а также стандартами GB/T12337, GB/T151, NB/T47041, NB/T47042 и другими. Если какая-либо нагрузка изменяется со временем, то необходимо составить кривую частоты нагрузки, отражающую зависимость каждой конкретной нагрузки от времени. Кривая частоты нагрузки должна включать количество циклов или временные интервалы, соответствующие всем температурам работы, давлению, дополнительным нагрузкам, а также всем значимым процессам, воздействующим на данный элемент. (2) К проектным нагрузкам относятся: внутреннее давление, внешнее давление, гидростатическое давление жидкости, собственный вес резервуара (включая нагрузку от веса находящегося внутри материала), дополнительные нагрузки (нагрузки от вспомогательного оборудования, трубопроводов, вес внешних комплектующих и т. д.), циклические нагрузки, силы, возникающие из-за опорных элементов, нагрузки, вызванные неоднородностью температуры, ветровые нагрузки, сейсмические нагрузки, снежные нагрузки и т. д. 3. Как получить параметры характеристик материала? (1) Эластичность материала, коэффициент Пуассона, коэффициент теплового расширения, теплопроводность, теплопроницаемость, плотность и удельная теплоемкость должны определяться в соответствии с стандартами GB/T150, GB/T151, разделом D книги II ASME, а также другими соответствующими стандартами. (2) Метод определения допустимого напряжения: а) Для элементов, находящихся под сжатием и спроектированных с использованием метода аналитического проектирования, допустимое напряжение материала определяется в соответствии с требованиями стандарта GB/T150.2 ； б) Для материалов компонентов, находящихся под давлением, чья общая конструкция спроектирована с использованием метода аналитического проектирования, значение предельной прочности материала определяется в соответствии с требованиями стандарта JB/T4732 ； в) При проектировании сферических резервуаров с использованием «метода аналитического проектирования» значения предельной прочности определяются в соответствии с положениями приложения D стандарта GB/T12337 ； д) При использовании материалов иностранных марок допускаемое напряжение или напряжение прочности, рассчитываемое согласно методам аналитического проектирования, должно соответствовать требованиям стандарта GB/T150.1 (для локальных конструкций) или JB/T4732 (для целостных конструкций). Это значение не должно превышать допускаемое напряжение для соответствующих материалов, указанное в соответствующих иностранных стандартах на сосуды под давлением. (3) Кривые напряжение-деформация могут выбираться с учетом положений приложения 3.D к стандарту ASME VIII-2; это касается как эластичных и идеально пластических кривых, так и реальных кривых напряжение-деформация с учетом эффекта упрочнения под действием деформации, циклических кривых напряжение-деформация, а также стабильных кривых амплитуды напряжения-деформации. 4. Как создать механическую модель? На основе таких фундаментальных принципов, как теория упругости, теория пластин и коробок, теория пластичности, метод конечных элементов, а также с учетом характеристик конструкции и условий нагрузки, формируется механическая модель конструкции. Для определения характера анализируемой проблемы можно следовать следующему подходу: a) если в уравнениях равновесия, соотношениях между напряжениями и деформациями, соотношениях между деформациями и смещениями, граничных условиях и условиях соединения в любом из этих соотношений встречаются нелинейные члены, то речь идет о нелинейной проблеме ； б) Проблему можно считать статической только тогда, когда все переменные и соотношения не зависят от времени ； в) При наличии значительной температурной градиентности в структуре (включая пространственную и временную градиентности температуры) необходимо проводить анализ теплопроводности и анализ тепловых напряжений. Когда тепловые напряжения очень малы или не являются основными по сравнению с другими напряжениями, их можно не учитывать ； д) Когда материал подвергается локальной пластической деформации, проектирование может осуществляться с учетом эластичного анализа ； Когда материал подвергается значительной пластической деформации, его необходимо рассматривать как объект пластической или упругопластической проблемы. 5. Как упростить модель? Сложные конструкции сокращаются до типичных элементов, таких как стержни, балки, пластины, оболочки и блоки, с учетом геометрических особенностей их составляющих частей, а также распределения нагрузок ； Когда структура трехмерной модели, подлежащая анализу, и нагрузки полностью симметричны, её можно упростить до двумерной плоскостной структуры ； Когда структура удовлетворяет условиям периодической симметрии, можно создать модель 1/n (где n — количество периодов) и т. д. Принцип упрощения модели заключается в максимальном обеспечении достоверности результатов анализа в рассматриваемой области. 6. Как выбрать ячейку? Для численного моделирования с использованием ANSYS Mechanical APDL следует в первую очередь использовать элементы с промежуточными узлами. Для анализа напряжений, усталости и т. п. в первую очередь рекомендуется использовать высокоуровневые элементы трехмерных солидов Solid186 (соответствующими элементами для анализа температуры являются Solid90); при большом количестве элементов сетки также можно использовать низкоуровневые элементы Solid185 (соответствующими элементами для анализа температуры являются Solid70) ； Для анализа изгиба, анализа предельной нагрузки, анализа модов и т. д. в первую очередь рекомендуется использовать элементы-оболочки Shell181 ； Для двумерных плоских структур предпочтительно использовать плоские элементы Plane82 ； Для балочных конструкций предпочтительно использовать элемент Beam189 ； При анализе контактов в качестве основных используются элементы контакта Conta173 и элементы цели Targe170 ； В качестве прокладок предпочтительно использовать прокладочные единицы Inter195 ； Для единиц качества предпочтительно использовать Mass21 ； Выбор остальных элементов можно найти в руководстве ANSYS 14.5. Исходя из структурных особенностей, также можно использовать различные элементы для их комбинирования. Для других программ моделирования с использованием элементов конечных разностей типы элементов выбираются в соответствии с вышеуказанными принципами. 7. Как осуществлять разбиение на сетку? (1) Для трехмерных твердотельных структур в первую очередь используется гексаэдрическая сетка ； Для коробчатых или двумерных плоских структур предпочтительно использовать сетку из четырехугольников. Соотношение сторон идеального элемента составляет 1, а для приемлемых элементов это соотношение должно находиться в пределах: для линейных элементов — менее 3, а для квадратичных элементов — менее 10. (2) При сетчатой разбивке модели необходимо обеспечить, чтобы грани смежных элементов многотелесной модели имели общие узлы ； Если степени свободы элементов, используемых в соседних элементах конструкции, отличаются, то их можно согласовать с помощью метода уравнений ограничений, метода множественных ограничений (MPC), метода суммирования жесткостей, метода композитных элементов, метода сопряжения ортогональных корпусов и других подходов. Для сборки обычно необходимо определить пары контактов. (3) При учете экономичности сети необходимо обеспечить надежность результатов ее вычислений. Обычно применяется метод удвоения плотности исходной сетки; если разница между результатами двух расчетов составляет менее 3%, это свидетельствует о надежности плотности исходной сетки ； В противном случае необходимо заново изменить плотность сетки и повторить вышеописанные действия, пока плотность сетки не будет соответствовать требованиям надежности. 8. Как применять нагрузки и граничные условия? Условия комбинации проектных и испытательных нагрузок определяются в соответствии с таблицей 3-3 стандарта JB/T4732. Анализ напряжений для проектных условий нагрузки на сферические резервуары выполняется согласно разделу D.4.3 приложения к стандарту GB/T12337. Комбинации нагрузок, подлежащие анализу, также должны определяться в зависимости от конкретных условий. Если в процессе эксплуатации возникают различные режимы работы, их необходимо анализировать по отдельности. Установка граничных условий должна соответствовать реальным ограничениям конструкции: а) Условия нагрузки: определение места, направления и величины нагрузок на узлы модели, на ребра элементов, а также сил, действующих на поверхности и внутри конструкции, и температурных нагрузок ； б) Тепловые граничные условия: определение местоположения, величины или законов действия температуры узлов в модели, а также процессов теплопередачи посредством конвекции и излучения ； в) Условия ограничения смещений: определение того, что смещения узлов и степеней свободы узлов в модели подчиняются определенным ограничениям, а также тип и величина этих ограничений ； д) Другие граничные условия: определение основных и вспомогательных степеней свободы в модели, степеней свободы соединений или движения и других граничных условий, используемых для анализа. 9. Как проводить оценку напряженно-силового состояния? а) После завершения анализа напряжений с использованием метода конечных элементов, пользовательский путь должен быть перпендикулярен линиям равномерности максимальной компоненты напряжения. Кроме того, этот путь должен быть перпендикулярен средней плоскости сечения, чтобы достичь аналогичной степени точности. Линейизация напряжений на данном пути позволяет определить напряжения в пленке, напряжения изгиба, суммарные напряжения, а также максимальные значения напряжений. б) Классификация напряжений осуществляется на основании таблиц 4-1 и 5-3 стандарта JB/T4732. Дизайнеры определяют характер напряжений в пленке (первичные общие напряжения в пленке или первичные локальные напряжения) и напряжений изгиба (первичные напряжения изгиба или вторичные напряжения), учитывая такие факторы, как степень влияния напряжений на прочность контейнера, зона действия напряжений и их распределение, причины возникновения напряжений, а также их влияние на процесс разрушения. в) Значение предела прочности на сжатие определяется в соответствии с разделами 5.2 и 5.3, а также таблицей 5-1 стандарта JB/T4732; коэффициенты комбинации нагрузок — в соответствии с таблицей 3-3 того же стандарта. d) Для локальных напряжений в тонкой оболочке у меньшего конца конуса в качестве контрольного значения следует использовать значение, равное 1,1 разу проектной интенсивности напряжения ； Для больших отверстий в точке, где угол между основанием переходника и продольной осью корпуса составляет 90 градусов, напряжение изгиба следует учитывать как первичное напряжение. 10. Как оценивать прочность при усталости? а) Расчет амплитуды интенсивности переменных напряжений Salt производится в двух случаях: когда направления основных напряжений в рассматриваемой точке остаются неизменными в течение цикла, и когда они меняются. Расчет выполняется согласно разделу C.2.1 приложения C стандарта JB/T4732. При этом необходимо учитывать только те напряжения, которые возникают в результате заданного цикла работы; напряжения, обусловленные постоянными нагрузками или условиями температуры, не учитываются. б) Применение для построения кривой усталости в соответствии с пунктом C.2.2 приложения C к стандарту JB/T4732. в) Накопленные повреждения: при наличии двух или более значительных циклов напряжений необходимо рассчитать эффект накопленных повреждений от усталости согласно методике, указанной в разделе C.2.4 приложения C к стандарту JB/T4732. д) Прочность штифтов на усталость согласно пункту C.5 приложения C к стандарту JB/T4732. е) Проверка прочности на усталость проводится в соответствии с пунктом C.2.2 c) приложения C к стандарту JB/T4732; если срок службы заменяемых элементов, таких как болты, отличается от срока службы резервуара, в проектных чертежах должен быть четко указан срок службы болтов. 11. Какие особые требования к производственной проверке необходимо учитывать при проектировании конструкций и резервуаров с учетом анализа напряжений? При изготовлении и контроле контейнеров необходимо соблюдать требования стандартов JB/T4732, GB/T12337 и других соответствующих стандартов. Кроме того, в проектной документации должны быть четко указаны следующие требования; это не полный список: а) в случае контейнеров, спроектированных с учетом фактора усталости (при наличии циклических нагрузок), поверхности швов сварных соединений категорий A и B должны быть на одном уровне с поверхностью основного материала; допускается наличие лишнего слоя металла. б) Для сосудов под давлением, спроектированных с учетом фактора усталости (при наличии циклических нагрузок), размещение печати сварщика не допускается; производитель должен определить другой способ проверки маркировки сварщика. в) Соединения категорий А и В должны подвергаться 100%-ной дефектоскопии с использованием рентгеновских или ультразвуковых методов в соответствии с требованиями чертежей; при проектировании конструкции необходимо учитывать возможность проведения такой дефектоскопии. д) Штифты с диаметром, превышающим M36, должны подвергаться контролю с использованием магнитопорошкового или флюоресцентного методов. 12. Как составлять отчет по анализу напряжений? Полный отчет по анализу напряжений должен включать следующее: a) анализ нагрузок: параметры проектирования, схема оборудования, данные о свойствах материалов ； б) Расчет прочности основных компонентов ； в) Анализ конструкции и механическая модель: геометрические параметры конструкции, модель с элементами конечных разностей, нагрузки и граничные условия ； д) Результаты анализа напряжений ； е) Оценка прочности на напряжения ； f) Оценка прочности при усталости (для сосудов под давлением, подверженных усталостным нагрузкам): сосуды под давлением (за исключением болтов), болты ； g) Заключение ； h) Основные технические характеристики ； i) Приложения: данные о линеаризации напряжений на траектории, расчеты крепежных элементов или расчеты деталей, спроектированных согласно «методу проектирования по правилам» и т. д. Выше изложены некоторые личные мысли автора; в них неизбежно могут быть ошибки. Приветствуем все обсуждения!