Забезпечення міцності локально навантажених довгомірних циліндричних оболонкових конструкцій (стр. 3 )

Як видно із рисунка, значення згинальних напружень у випадку взаємодії оболонки із циліндричними роликами є приблизно на 13% меншими від аналогічних напружень, викликаних взаємодією оболонки з бочкоподібними роликами. Беручи до уваги, що під час проведення ремонтно-відновлюваних робіт на трубопроводах, які знаходяться під дією тиску газу, найбільш небезпечними є напруження на внутріш­ній поверхні оболонки, можна зробити висновок про перевагу застосування цилін­дричних роликів над бочкоподібними. Зауважимо, що це стосується лише ремонту трубопроводів, які знаходяться під дією внутрішнього тиску.

Порівняльний аналіз результатів розрахунків, виконаних за допомогою методу скінченних елементів та методу скінченних різниць, вказує на високу їх збіжність. Відносна похибка визначення параметрів напружено-деформованого стану знахо­диться в межах 6%, що підтверджує адекватність результатів комп’ютерного моде­лювання.

У четвертому розділі дисертації розглядаються результати експериментальних досліджень напружено-деформованого стану тонкостінної циліндричної оболонки, що взаємодіє з опорними роликами ланцюга підйомника. В процесі проведення експерименту визначали згинальні напруження на внутрішній поверхні оболонки в місці її контакту з роликом. Значення величин цих напружень у різних випадках навантаження оболонки необхідні як для встановлення адекватності комп’ютерних моделей, так і для оцінки точності обчислення похибки визначення напружень шля­хом комп’ютерного моделювання.

Для проведення експериментальних досліджень було сконструйовано і виготов­лено експериментальну установку (рис. 11) для визначення напружень, що виника­ють внаслідок контактної взаємодії роликів різного діаметра із трубо­проводом. Установка складається із передньої (2) та задньої (3) траверс, з’єднаних між собою двома шпильками (4). Посередині задньої траверси закріплено призму 5, в якій можуть розташовуватися ролики (6) діаметром від 80 до 125 мм та шириною не меншою від 30 мм. Довжина траверс розрахована на випробування тонкостінних циліндричних оболонок діаметром до 800 мм. В експериментальній установці використовується тонкостінна труба діаметром 720 мм.

У передній траверсі установки розташовано гвинт (7) та гайку із трапеце­їдальною різьбою. Гайка кріпиться в гільзі траверси нерухомо, а до рухомого гвинта прикріплено вороток. Опора (8) з одного боку профільована під трубу ø 720 мм. Між гвинтом (7) та опорою (8) встановлюється стандартний динамометр вантажністю 3 кН (на рис. 11 не показано), який спрягається із торцем гвинта (7) через сталеву кульку – для цього у торці гвинта (7) виконано відповідний центрувальний отвір.

Рис.11. Конструктивна схема експериментальної установки

Принцип роботи установки доволі простий. При обертанні гвинта (7) передня траверса (2) через динамометр та опору (8) опирається на трубу (1) і через шпильки (4) притягує задню траверсу (3) та ролик (6) до цієї ж труби. Отже, значення сили на динамометрі та її реакції на ролику будуть однаковими. Навантажуючи гвинтом (7) динамометр і вимірюючи силу на ньому, ми забезпечуємо задане зусилля прити­скання ролика до труби.

Фотографії експериментальної установки наведені на рис.12. На рис. 12, б зображено передню траверсу з динамометром. На задньому плані видно тензостан­цію з вольт-амперметрами. На рис. 12, а зображено задню траверсу із встановленим циліндричним роликом ø 100 мм, а також показано додаткові ролики ø 80 мм та
ø 125 мм. Давачі напружень – наклеєні на внутрішній поверхні труби – тензорезис­тори КФ5П1–3–100–А–12 ТУ 25–06.2002–80.

а	б

Рис.12. Експериментальна установка: а – задня траверса; б – передня траверса

Тензорезистори орієнтовані таким чином, щоб можна було вимірювати кільце­ву складову згинальних напружень. Довжина бази тензодавача (3 мм) вибрана із огляду на локальний характер напружень.

Дослідження кільцевої складової напружень згину проводилися для різних діапазонів навантажень циліндричними роликами різних діаметрів, вивчалася як їх безпосередня взаємодія з оболонкою, так і їх взаємодія через концентричні металеві прокладки. Результати експериментальних досліджень (штрих-пунктирні криві) та відпо­відні результати визначення напружень шляхом комп’ютерного моделювання (суцільні криві) зображені на рис. 13.

Рис. 13. Порівняльні значення кільцевих напружень при безпосередньому контакті ролика із трубою та при їх контакті через металеву прокладку

Порівняння значень згинальних напружень, одержаних за допомогою комп’ю­терного моделювання, з відповідними експериментальними значеннями показує, що похибки обчислень параметрів напружено-деформованого стану оболонки для розглянутих випадків її контакту з опорними роликами не перевищують 5% і 8% відповідно. Це свідчить про належну адекватність побудованих комп’ютерних моде­лей реальному фізичному об’єкту.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Як показує аналіз численних джерел інформації про існуючі методи аналізу напружено-деформованого стану циліндричних оболонок та про основні тенденції розвитку технології ремонту магістральних газопроводів, проблема забезпечення міцності локально навантажених оболонкових конструкцій становить не лише актуальну, а й достатньо складну наукову задачу. У дисертації проведено комплекс теоретичних та експериментальних досліджень, спрямованих на удосконалення методу розрахунку на міцність локально навантажених довгомірних циліндричних оболонкових конструкцій на прикладі надземних балкових переходів з урахуванням їх контактної взаємодії з робочим органом підйомника.

1. Аналізом комп’ютерних моделей взаємодії тонкостінної оболонки з жорст­ким роликом встановлено, що тиск на пло­щадці контакту розподілений нерівномір­но, а контактні напруження, спричинені цим тиском, істотно проявляються лише на зовнішній поверхні оболонки та мають локальний характер. Застосування відносно тонких металевих прокладок між трубо­проводом та опорними роликами підйомника дає змогу суттєво зменшувати контактні напру­ження. Прокладка товщиною 6 мм більше ніж удвічі зменшує їх максимальні значення.

2. Напруження згину, які виникають внаслідок контактної взаємодії оболонки з роликами, істотно проявляються як на зовнішній, так і на внутрішній поверхнях оболонки і теж мають локальний характер. На зовнішній поверхні їх значення від’ємні, а на внутрішній – додатні.

3. Перші та другі головні контактні напруження, що виникають на зовнішній поверхні оболонки, сумуються з кільцевими та поздовжніми складовими напружень згину на цій самій поверхні. В результаті еквівалентні напруження на зовнішній поверхні оболонки приблизно на 17% є більшими, ніж на внутрішній. На зовнішній поверхні оболонки виникає об’ємний напружений стан з головними напруженнями стиску, а на внутрішній – плоский напружений стан з головними напруженнями розтягу.

4. Тиск газу всередині трубопроводу призводить до виникнення кільцевих та поздовжніх напружень розтягу в трубопроводі. Їх значення додаються до локальних напружень згину на внутрішній поверхні трубопроводу та віднімаються від анало­гічних напружень на зовнішній поверхні. Внаслідок цього, максимальні локальні на­пруження в трубо­проводі, який ремонтують під тиском газу у 3,5 МПа, виникають на його внутрішній поверхні, а еквівалентні локальні напруження в трубопроводі при цьому зменшу­ються на 11 % на його зовнішній поверхні та збільшуються на
33 % на внутрішній.

5. Максимально можливе зменшення тиску газу в процесі проведення ремонт­них робіт (від 5 до 3,5 МПа) є недостатнім для забезпечення міцності трубопроводу, що взаємодіє з опорними роликами підйомника. Тому міцність вдається забезпечити лише поєднанням таких чинників, як зменшення тиску газу та застосування між опорними роликами і оболонкою концентричних металевих прокладок. Зменшення тиску газу від 5 до 3,5 МПа знижує еквівалентні напруження на внутрішній поверхні трубопроводу на 12%, а використання 12-міліметрової металевої підкладки між роликом та трубопроводом – на 25 %.

6. На основі результатів досліджень контактної взаємодії довгомірних цилінд­ричних тонкостінних оболонок із жорсткими роликами робочого органу підйом­ника, одержаних за допомогою комп’ютерного і математичного моделювання та проведених експериментів, створено і апробовано у промислових умовах дослідний зразок підйомника для проведення ремонтно-профілактичних робіт на балкових пе­реходах магістральних газопроводів великого діаметра та методику розрахунку па­раметрів напружено-деформованого стану циліндричних оболонкових конструкцій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Кичма напружено-деформованого стану надземних переходів магістральних газопроводів при обслуговуванні опорних елементів / А. О. Кичма, ій, іцький // 10-й міжнар. симп. українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД. – 2011. – С. 46 – 47.

2. Особливості ремонту опорних вузлів магістральних трубопроводів на надземних переходах через ріки і заболочені ділянки / А. Кичма, Ю. Новіцький // 10-я юбилейная международная промышленная конференция «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях». Збірник доповідей. – Славське, – 2010. – С. 292 – 293.

3. Кичма ія ремонту опорних вузлів надземних ділянок газопроводів тривалої експлуатації / , іцький // Науково-технічна нарада ДК «Укртрансгаз». Збірник доповідей. Яремче. – 2011. – С. 38.

4. Новіцький визначення напружень у довговимірній циліндричній оболонці, зумовлених взаємодією з опорним роликом // Динаміка, міцність та проектування машин і приладів: Вісник Нац. ун-ту «Львівська політехніка». – Львів, – 2013. – № 000. – С. 64–71.

5. Новицкий прочности трубопроводов больших диаметров в случае их локального контактного взаимодействия с опорными роликами. // European applied sciences: Wissenchaftliche Zeitschrift. ORT Publishing. Stuttgart, Germany, – 2013. – № 3 – 2, Section 1. – P. 34 – 38.

6. Новіцький і комп’ютерного та математичного моделювання контактної взаємодії тонкостінних оболонок із жорсткими роликами // Машинознавство: Всеукраїнський щомісячний науково-технічний і виробничий журнал. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД. – 2013. – № 5 – 6. – С. 42–47.

7. Новіцький визначення напружено-деформованого стану локально навантаженої оболонки методом скінченних елементів в програмному середовищі SOLIDWORKS. // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні: Вісник Нац. ун-ту «Львівська політехніка» – Львів, – 2012. –№ 000. – С. 39–43.

8. Новіцький Ю. Проблеми підйому магістральних трубопроводів великого діаметра над їх опорними вузлами в процесі проведення ремонтних робіт // 3-я Міжнародна науково-технічна конференція «Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій»: Тези доповідей. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД. – 2012. –С. 126–127.

9. Патент на корисну модель № 000 Україна, МПК F16L 55/18. Спосіб ремонту ділянок трубопроводів, розташованих на опорах балкових переходів. / Є. В. Харченко, іцький (Україна); Нац. ун-т «Львівська політехніка»; заявл. 02.03.2012; опубл. 10.10.2012, Бюл. №19. – 4 с.

10. Харченко Є. В. Вплив локальних навантажень на напружено-деформований стан тонкостінного трубопроводу / Є. В. Харченко, Ю. Я. Новіцький // Динаміка, міцність та проектування машин і приладів: Вісник Нац. ун-ту «Львівська політехніка». – Львів, – 2011. – № 000. – С. 100–106.

11. Харченко Є. В. Дослідження напружено–деформованого стану локально навантажених ділянок трубопроводу / Є. В. Харченко, іцький // 11-й міжнар. симп. українських інженерів-механіків у Львові: Тези доповідей. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД. – 2013. – С. 91 – 92.

12. Харченко Є. В. Забезпечення міцності довгомірної циліндричної оболонки в умовах локального навантаження ланцюгом / Є. В. Харченко, Ю. Я. Новіцький // Динаміка, міцність та проектування машин і приладів: Вісник Нац. ун-ту «Львівська політехніка». – Львів, – 2012. – № 000. – С. 108–113.

13. Харченко Є. В. Оптимізація конструктивних параметрів мобільного підіймального пристрою для ремонту опор надземних переходів магістральних газопроводів / Є. В. Харченко, іцький // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні: Вісник Нац. ун-ту «Львівська політехніка» – Львів, – 2011. –№ 000. – С. 122–126.

14. Харченко Є. В. Особливості піднімання трубопроводів балкових переходів магістрального газопроводу над їх опорами в процесі виконання ремонтно-профілактичних робіт / Є. В. Харченко, Ю. Я. Новіцький // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ: Всеукраїнський щоквартальний науково-технічний журнал. – Ів.-Франківськ: НУНГ, – 2013. – № 2 (47). – С. 42–50.

15. Харченко Є. В. Особливості технології ремонтних робіт надземних переходів магістральних газопроводів великого діаметра / Є. В. Харченко, Ю. Я. Новіцький // Перспективні технології та прилади.– Луцьк: ЛНТУ, – 2013. – № 3. – С. 148–157.

АНОТАЦІЯ

Новіцький міцності локально навантажених довгомірних циліндричних оболонкових конструкцій. – На правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка та міцність машин. – Національний університет «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки України, Львів, 2014.

У дисертаційній роботі досліджено напружено-деформований стан локально навантажених довгомірних оболонкових конструкцій на прикладі надземних балкових переходів магістральних газопроводів, що взаємодіють з жорсткими робочими органами малогабаритного мобільного підйомника в процесі проведення ремонтно-профілактичних робіт. Проведено комп’ютерне та математичне моделю­вання локальної взаємодії тонкостінної оболонки з жорсткими роликами робочого органу підйомника. На основі аналізу одержаних результатів визначено вплив конструктивних парамет­рів підйомника на міцність трубопроводу. Показано, що небезпечні локальні напру­ження, які виникають внаслідок контактної взаємодії тонкостінної оболонки, що знаходиться під дією тиску газу, з жорстким роликом, розташовані на внутрішній поверхні оболонки, цілком недоступній для діагно­стичних вимірювань у процесі виконання ремонтних робіт. Наведено експери­ментальне підтвердження основних теоретичних положень та припущень. Запропоновано нову ефективну та безпечну конструкцію підіймального пристрою для проведення ремонтно-профілактичних робіт на надземних балкових переходах магістральних газопроводів великого діаметра.

Ключові слова: локально навантажені довгомірні циліндричні оболонкові кон­струкції, напружено-деформований стан, міцність, метод скінченних елементів, загальна теорія оболонок, магістральні газопроводи.

ABSTRACT

Novitskyi I. The strength ensuring of the local loaded long cylindrical shell-type constructions. – A manuscript.

Dissertation for obtaining of the Candidate of Technical Sciences scientific degree. Specialty 05.02.09 – Dynamics and Strength of Machines. Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2014.

Stress-strain state of the local loaded long cylindrical shell-type constructions - beam type overpassages of the gas-main pipeline, which arises from the contact interaction of the shell with hard work by compact mobile lift in the process of repair and maintenance work was studied in this puter and mathematical modeling of local interactions walled shell with rigid casters working body lift performed by analyzing the simulation results and the influence of design parameters on the strength of the lift pipe. Dangerous local tensions that arise in a thin-walled shell under the pressure of the gas at the site of contact with a hard roller located on the inner surface of the shell. This fact makes it impossible to process diagnostic measurements during repair work. Experimental confirmation of the main theoretical solutions and a priori knowledge are made to establish the degree of adequacy of the computer model. A new efficient and safe design of lifting device is proposed in the implementation for repair and maintenance work above beam type overpassages of large diameter gas-main pipelines.

Keywords: locally loaded lengthy cylindrical shell structure, the stress-strain state, strength, finite element method, the general theory of shells, main gas pipelines.

АННОТАЦИЯ

Новицкий прочности локально нагруженных длинномерных цилиндрических оболочных конструкций. – На правах рукописи.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 – динамика и прочность машин. – Национальный университет «Львовская политехника» Министерства образования и науки Украины, Львов, 2014.

В диссертационной работе исследовано напряженно-деформированное состояние локально нагруженных длинномерных оболочечных конструкций на примере надземных балочных переходов магистральных газопроводов, взаимодействующих с жесткими рабочими органами малогабаритного мобильного подъемника в процессе проведения ремонтно-профилактических работ. Необходимость использования малогабаритных мобильных подъёмников для проведения ремонтно-профилактических работ на балочных переходах магистральных газопроводов исходит из невозможности применения для этих целей тяжелой подъёмной техники вследствие отсутствия подъездных путей, поскольку надземные балочные переходы магистральных газопроводов располагаются в устьях и поймах рек, на болотах, в ущельях и других труднодоступных местах. Цель работы состоит в обеспечении прочности длинномерных цилиндрических оболочечных конструкций с учетом локальных нагрузок, обусловленных взаимодействием этих конструкций с опорными узлами подъемных устройств. Методика исследований: компьютерное моделирование процесса контактного взаимодействия тонкостенной оболочки и жестких опорных роликов подъемника с помощью метода конечных элементов; проверка адекватности результатов компьютерного моделирования путём построения математических моделей в виде систем дифференциальных уравнений в частных производных; экспериментальное определение локальных изгибающих напряжений с использованием электротензометрии. Результаты. Исследовано напряженно-деформированное состояние локально нагруженных длинномерных оболочечных конструкций трубопроводов надземных балочных переходов магистральных газопроводов большого диаметра, обусловленное их локальным контактным взаимодействием с жесткими рабочими органами малогабаритного мобильного подъемника в процессе проведения ремонтно-профилактических работ на балочных переходах. На основании анализа результатов компьютерного и математического моделирования определено влияние конструктивных параметров рабочего органа подъемника на прочность трубопроводов. Показано, что опасные локальные напряжения, возникающие вследствие контактного взаимодействия тонкостенной оболочки, находящейся под действием давления газа, с жесткими роликами цепи подъёмника, располагаются на внутренней поверхности оболочки, полностью недоступной для диагностических измерений в процессе выполнения ремонтных работ. Поэтому точный прочностной расчет напряженно-деформированного состояния трубопровода и меры по обеспечению его прочности являются единственным методом безопасного проведения ремонтно-профилактических работ балочных переходов магистральных газопроводов. Научная ценность заключается в дальнейшем развитии методологии анализа локального взаимодействия цилиндрических оболочечных конструкций с жесткими телами путём сочетания метода конечных элементов и аналитических методов общей теории оболочек, а также в усовершенствовании способа оценки точности расчета напряженно-деформированного состояния локально нагруженных цилиндрических оболочечных конструкций в зонах их контактного взаимодействия с жесткими телами. Практическая ценность заключается в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении условий безопасного взаимодействия длинномерных цилиндрических оболочек с жесткими роликами рабочего органа подъемника и разработке нового эффективного и безопасного способа ремонта надземных балочных переходов магистральных газопроводов большого диаметра. Преимущества предложенной конструкции подъемника и методики расчета напряженно-деформированного состояния трубопровода состоят в возможности эффективного и безопасного проведения ремонтно-профилактических работ над­земных балочных переходов магистральных газопроводов большого диаметра без вывода их из эксплуатации, а также без применения тяжелой подъемной техники.

Ключевые слова: локально нагруженные длинномерные цилиндрические обо­лочечные конструкции, напряжённо-деформированное состояние, прочность, ме­тод конечных элементов, общая теория оболочек, магистральные газопроводы.