【Анализ и проектирование по стандарту ASME】Требования и этапы анализа и проектирования по стандарту ASME

Thread Content

Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем B0SS 11.04.2018 в 20:44. Стандарты анализа и проектирования ASME основаны на моделях отказа отдельных компонентов. Для оценки безопасности компонента необходимо учитывать четыре возможных варианта отказа, причем каждый из них должен быть предотвращен: 1) предотвращение пластического разрушения; 2) предотвращение локального отказа; 3) предотвращение дестабилизации; 4) предотвращение отказа под действием циклических нагрузок. 1. Как предотвратить пластическое разрушение? Существует три способа предотвращения пластического разрушения конструкции: 1) анализ упругих напряжений ； 2) Анализ предельной нагрузки ； 3) Эластопластический анализ напряжений. 1) Для анализа упругих напряжений с целью предотвращения пластического разрушения деталей необходимо оценивать три вида напряжений: общее тонкослойное напряжение (Pm), локальное тонкослойное напряжение (PL) и напряжение, возникающее в результате изгиба тонкой пластины (PL+Pb). Для Pm обычно достигается соответствие требуемым значениям с помощью стандартных расчетов; поэтому необходимо оценить лишь два типа напряжений. Во многих случаях трудно различить PL+Pb, и их часто относят к вторичным напряжениям (Q), что может привести к рискованным действиям, угрожающим безопасности конструкции. Следует учитывать, что при оценке вторичных напряжений необходимо использовать напряжения, определенные в ходе анализа рабочих условий ； Стандарт ASME использует четвертую теорию прочности — теорию энергии изменения формы, в то время как JB/T4732 основан на третьей теории прочности — теории максимального сдвигового напряжения. 2) Анализ предельной нагрузки: в стандарте ASME VIII-2 был введен метод проектирования с учетом коэффициентов нагрузки и сопротивления (Load and Resistance Factor Design, LRFD); этот метод применяется при анализе предельной нагрузки и эласто-пластических состояний. В качестве критерия оценки больше не используется двойной эластичный коэффициент. Согласно комбинациям нагрузок и коэффициентам нагрузок, полученным в результате анализа предельных нагрузок в таблице 5.4, выделяются следующие комбинации условий нагрузки: комбинация 1 – общие критерии; комбинация 2 – локальные критерии; комбинация 3 – условия гидравлических испытаний. При анализе необходимо учитывать комбинации нагрузок и коэффициенты для каждого из возможных режимов работы. Анализ считается успешным только в том случае, если решение для каждого режима находится стабильно. 3) Анализ упруго-пластических напряжений. В анализе упруго-пластических напряжений также применяется метод расчета с учетом коэффициентов нагрузки и сопротивления. Согласно таблице 5.5 стандарта ASME VIII-2, для анализа упруго-пластических напряжений необходимо учитывать различные комбинации нагрузок и соответствующие им коэффициенты. К таким комбинациям относятся общие критерии, локальные критерии, а также условия гидравлических испытаний. Структура находится в безопасном состоянии, пока сумма модулей деформации всех элементов и общего эквивалентного пластического модуля деформации меньше или равна пределу трехосной деформации. Сравнение эластического и упрочненно-эластического анализа следующее: (1) Эластический анализ напряжений представляет собой линейный анализ, при котором материал постоянно находится в области линейной эластичности; используется теория малых деформаций, матрица жесткости не меняется при деформации конструкции, в результате получаются номинальные напряжения и деформации ； Анализ упруго-пластических напряжений представляет собой анализ нелинейных свойств материалов и их геометрии; для его проведения необходимо ввести реальные кривые напряжение-деформация, учитывающие эффект усиления прочности материала под действием деформации. В процессе итеративного решения матрица жесткости конструкции постоянно обновляется в зависимости от её деформации, что позволяет формировать новые уравнения равновесия. Таким образом, значения напряжений и деформаций, получаемые в ходе расчетов, становятся более близкими к значениям, характерным для реальных инженерных условий. (2) В процессе решения анализ упругих напряжений относительно прост, достаточно лишь приложить соответствующую нагрузку ； Настройки анализа упруго-пластических напряжений более сложны: необходимо задать ряд параметров, связанных с нелинейными решениями, чтобы обеспечить сходимость расчетов. К таким параметрам относятся: шаг времени, функция учета крупных деформаций, линейный поиск, опции Ньютона-Лапласа, автоматическое определение шага времени, прогнозирование шага времени, способ приложения нагрузки и т. д. (3) В процессе постобработки необходимо самостоятельно определить путь для анализа упругих напряжений; после линеаризации напряжений на этом пути проводится оценка их интенсивности. Линеаризация напряжений во многом зависит от разбиения сетки и действий оператора, при этом присутствует значительная степень случайности. В ситуациях, когда напряжения имеют сложную структуру, может возникнуть невозможность точного классификации напряжений по определенным категориям, что приводит к принятию необдуманных решений ； Анализ упруго-пластических напряжений исключает необходимость линеаризации напряжений и их классификации; при этом согласно стандартам ASME необходимо производить расчеты и сравнения значений многоосевого предела деформации, общей эквивалентной пластической деформации и деформации, возникающей при формировании конструкции. Процесс обработки данных в этом случае более сложен по сравнению с анализом упругих напряжений. (4) Основные аспекты внимания: при анализе упругих напряжений основное внимание уделяется интенсивности напряжений в конструкции, а также отдельным компонентам напряжений после их линеаризации ； При анализе упруго-пластических напряжений основное внимание уделяется сходимости расчетов, тому, насколько плавными являются кривые напряжений, деформаций и пластических деформаций в зависимости от времени нагрузки, а также предельным значениям многоприводных деформаций, общему эквивалентному пластическому изгибу и деформациям, возникающим при формировании конструкции. Это в основном связано с тем, что у двух методов разные критерии оценки результатов расчета: первый использует критерий классификации напряжений, а второй — критерий предельного локального деформирования. (5) В большинстве случаев в анализе упругих напряжений линеаризация для опасных сечений вынужденно превращается в оценку того, возникают ли в определенных точках пластические шарниры (если только речь не идет об осесимметричной модели или аналогичных ситуациях). Невозможно определить, становится ли всё сечение пластическим, однако наличие ограниченного количества неразделенных пластических шарниров не мешает конструкции продолжать нести нагрузку. Анализ упруго-пластических напряжений учитывает перераспределение напряжений, вызванное деформацией, и позволяет наглядно моделировать явление образования пластических шарниров, превращающих конструкцию в геометрически изменяемый механизм. Следовательно, анализ упругих напряжений является более консервативным по сравнению с анализом упруго-пластических напряжений, но последний требует больше времени и имеет более высокие требования к аппаратному обеспечению компьютера. 2. Предотвращение локального сбоя? Для предотвращения локальной неисправности конструкции можно использовать эластический и эластопластический анализ. 1) Для эластического анализа достаточно, чтобы алгебраическая сумма трех напряжений была меньше 4S. 2) При пластоэластическом анализе необходимо обеспечить, чтобы сумма деформаций всех элементов при каждой комбинации нагрузок и общая эквивалентная пластическая деформация были меньше или равны пределу трехосной деформации; в этом случае конструкция находится в безопасном состоянии. 3. Предотвращение дестабилизации? Для численного анализа конструкции определяется нагрузка, при которой она начинает сгибаться. Делия эту нагрузку на соответствующую нагрузку безопасности, что позволяет получить допустимое внешнее давление на конструкцию. Методы такого анализа делятся на анализ электродов и нелинейный анализ. Анализ электродов относится к анализу линейного сгибания и на самом деле является неадекватным с точки зрения практических условий. Нелинейный анализ же включает в себя геометрическую нелинейность, нелинейность материалов, нелинейность граничных условий или анализ контактов, что делает его более соответствующим реальным инженерным задачам. 4. Предотвращение циклической неисправности? 1) Нестабильность реверсивных механизмов на самом деле бывает двух видов: при многократных нагрузках в одном и том же участке постоянно происходит чередование пластических деформаций в противоположных направлениях. В таких условиях не соблюдается принцип стабильности, что приводит к пластической усталости; в этом случае разрушение наступает в очень короткие сроки — это называется разрушением под действием низкочастотной усталости. Ещё существует случай, когда пластическая деформация происходит не поочередно в противоположных направлениях, а накопительно; это называется эффектом рычага. Разрушение называется разрушением под действием накопленной пластической деформации. Когда существует только одна группа повторяющихся нагрузок, явление рычагового эффекта не происходит. Для любого устройства оценка ригеля является необходимой, независимо от того, является ли оно устройством, подверженным износу, при условии наличия процессов запуска и остановки. Оценка с помощью резинового зубчатого механизма проводится в условиях эксплуатации; оценивается величина амплитуды. Этот метод отчасти похож на метод оценки усталости, причем результаты такой оценки используются в качестве коэффициента для оценки усталости (коэффициент усталостных повреждений). Если выполняется условие, что значение меньше Sps, то при проведении анализа усталости коэффициент потерь из-за усталости может быть равен 1; в противном случае необходимо скорректировать этот коэффициент. При отсутствии тепловых нагрузок (или при условии, что значительных тепловых нагрузок нет), сумма первичной и вторичной напряжений в детали должна быть меньше или равна Sps. Как только значение превышает определенный порог, считается, что происходит ригелирование, то есть наступает нестабильность. При наличии тепловых нагрузок существуют два случая: в первом случае напряжения, возникающие под действием всех нагрузок, включая тепловые, меньше значения Sps; в этом случае ситуация не отличается от первого случая. При наличии тепловой нагрузки, если её значение превышает Sps, можно проводить отдельную оценку: в условиях отсутствия тепловой нагрузки это значение должно быть меньше Sps, а тепловые напряжения, возникающие под действием тепловой нагрузки, необходимо оценивать отдельно. При использовании этого метода необходимо ограничить количество циклов работы оборудования, то есть сделать так, чтобы оно стало изношенным. Принцип, на котором обычно основывается оценка вторичных напряжений, — это принцип рейкеновой оценки. Конкретно: при отсутствии тепловой нагрузки использование расчетного давления и температуры для оценки вторичных напряжений во многих случаях является консервативным подходом, поскольку расчетные значения температуры и давления обычно выше, чем в условиях эксплуатации ； При наличии напряжений, обусловленных разницей температур, обычно используются специальные методы для прямого расчета напряжений под действием температуры и других механических нагрузок. В таких случаях необходимо строго соблюдать методы оценки, предусмотренные для редукторов. 2) Оценка усталости. Анализ усталости делится на эластический анализ и эластопластический анализ. Обычно проводится анализ напряжений в циклических режимах работы, определяется амплитуда напряжений; затем производятся соответствующие корректировки с учетом этой амплитуды. С помощью соответствующих кривых усталости определяется срок службы конструкции при воздействии усталостных нагрузок. При наличии двух или более значимых циклов напряжений необходимо рассчитать эффект накопленных повреждений от усталости. В новой версии стандарта ASME 2017 был введен метод анализа высокотемпературного оборудования по стандарту ASME NH; также представлены методы проектирования с учетом эффектов крепления и крепления при одновременном воздействии усталости. Благодаря этому стандарт AMSE VIII-2 может использоваться для анализа усталости под действием крепления, что делает технологию более совершенной и современной.