Забезпечення міцності локально навантажених довгомірних циліндричних оболонкових конструкцій (стр. 1 )

Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Новіцький Юрій Ярославович

УДК 62-756.68

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ МІЦНОСТІ

ЛОКАЛЬНО НАВАНТАЖЕНИХ ДОВГОМІРНИХ ЦИЛІНДРИЧНИХ ОБОЛОНКОВИХ КОНСТРУКЦІЙ

05.02.09 –динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2014

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі опору матеріалів Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Харченко Євген Валентинович,

Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри опору

матеріалів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кузьменко Анатолій Григорович,

Хмельницький національний університет, професор кафедри зносостійкості та надійності машин;

кандидат технічних наук, доцент

,

Івано-Франківський національний

технічний університет нафти і газу,

доцент кафедри спорудження та ремонту газонафтопроводів

і газонафтосховищ.

Захист відбудеться 10 вересня 2014 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою 79013, Львів, в, ХІV навчальний корпус, 61 аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою 79013, Львів, в.

Автореферат розісланий 7 серпня 2014 року

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д35.052.06

к. т.н., доцент Ю. Шоловій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У сучасному транспортному машинобудуванні, ракето­будуванні, у великогабаритному технологічному устаткуванні, а також в інженерних спорудах широко використовуються довгомірні оболонкові конструкції, робото­спроможність яких визначається, в першу чергу, їхньою міцністю. У зв’язку з необхідністю вдосконалення методів розрахунку кузовів транспортних засобів, резервуарів, літальних апаратів, корпусів суден, цементних печей, магістральних трубопроводів тощо дослідженню напружено-деформованого стану оболонкових конструкцій приділяється велика увага. Для випадків плавної зміни зовнішніх сил за просторовими координатами сучасний стан теорії оболонок забезпечує розв’язання широкого класу практичних задач. Однак, наявність локальних навантажень оболон­кових конструкцій, обумовлених їх контактною взаємодією з малогабаритними опорними чи іншими вузлами, значно ускладнює задачу дослідження і вимагає удосконалення існуючих методів аналізу напружено-деформованого стану. Пере­важно задачі такого типу розв’язують числовими або наближеними аналітичними методами у застосуванні до конкретних технічних об’єктів.

У даній дисертаційній роботі задача забезпечення міцності локально наванта­женої довгомірної циліндричної оболонки розглядається на прикладі контактної взаємодії трубопроводу надземного балкового переходу магістрального газопроводу з робочим органом підіймального пристрою. Надземні балкові переходи – це довго­мірні ділянки трубопроводів, встановлені на опорах над ріками, ярами та заболо­ченою місцевістю. У місцях контакту трубопроводів з опорами відбуваються коро­зійні процеси. Для обслуговування та ремонту переходів не вдається використо­вувати важку підіймальну техніку через відсутність під’їзних шляхів. Виникає пот­реба розроблення і застосування з цією метою легких, малогабаритних підіймальних пристроїв. Зусилля взаємодії між робочим органом підйомника і трубопроводом великого діаметра (1000 – 1400 мм) становить 350 – 500 кН. Значні локальні наван­таження трубопроводу можуть спричинити його руйнування.

Отже, забезпечення міцності довгомірних циліндричних оболонкових констру­кцій у випадку їх локальної контактної взаємодії з малогабаритним робочим орга­ном підйомника є актуальною задачею, розв’язання якої дасть змогу продов­жити ресурс та підвищити безпеку експлуатації магістральних газопроводів.

Зв'язок теми дисертації з державними програмами, науковими напрямами університету та кафедри. Дисертаційну роботу виконано в межах програм НАК «Нафтогаз України» згідно з розпорядженнями Кабінету міністрів України «Про схвалення Енергетичної стратегії України на період до 2030 року» та «Про схвалення Концепції розвитку, модернізації і переоснащення газотранспортної системи України на 2009 – 2015 роки».

Дисертаційні дослідження виконувалися відповідно до наукового напряму кафедри опору матеріалів Національного університету «Львівська політехніка» і безпосередньо пов’язані з держбюджетними науково-дослідними роботами «Ди­наміка та міцність машин і інженерних споруд» (№ державної реєстрації 0107U004842) та «Розроблення методів аналізу пружно-пластичного деформування і оцінки міцності магістральних трубопроводів з урахуванням наявності дефектів матеріалу» (№ державної реєстрації 0113U001349).

Мета роботи полягає у забезпеченні міцності довгомірних циліндричних оболонкових конструкцій з урахуванням локальних навантажень, обумовлених взаємодією цих конструкцій з опорними вузлами підіймальних пристроїв.

Для досягнення сформульованої мети в роботі поставлені такі задачі:

1. Побудувати комп’ютерну модель контактної взаємодії трубопроводу як довгомірної циліндричної оболонки з опорними роликами ланцюга підйомника для визначення параметрів напружено-деформованого стану (НДС) трубопроводу методом скінченних елементів.

2. Дослідити НДС трубопроводу та встановити залежність напружень від конструктивних параметрів робочого органу підйомника як у випадку безпосередньої взаємодії роликів з трубопроводом, так і під час їх взаємодії через концентричні металеві підкладки.

3. Побудувати математичну модель, що описує взаємодію роликів робочого органу підйомника з трубопроводом, та порівняти одержані результати з результатами, одержаними за допомогою методу скінченних елементів, з метою підтвердження адекватності комп'ютерної моделі.

4. Виконати експериментальні дослідження контактної взаємодії опорних роликів з трубопроводом для різних випадків навантаження та порівняти експериментально отримані напруження з їхніми теоретичними значеннями.

5. Розробити конструкцію підйомника для ремонту переходів трубопроводів великого діаметра.

Об’єктом дослідження є напружено-деформований стан локально наванта­жених довгомірних циліндричних оболонкових конструкцій.

Предмет дослідження – міцність локально навантажених довгомірних цилін­дричних оболонкових конструкцій у випадку їх контактної взаємодії з опорними роликами.

Методи дослідження. Комп’ютерне моделювання процесу контактної взаємо­дії тонкостінної оболонки з опорним роликом підйомника виконувалося методом скінченних елементів у програмному середовищі SolidWorks Simulation. Для підтвердження адекватності комп’ютерної моделі розроблено математичну модель НДС оболонки у вигляді системи рівнянь з частинними похідними та відповідних крайових умов, що одержані із застосуванням загальної теорії оболонок. За допомогою методу Фур’є задача зведена до системи звичайних диференціальних рівнянь, для розв’язання якої застосовано метод скінченних різниць. Перевірка теоретичних результатів досліджень проводилася на спеціально створеній експе­риментальній установці із застосуванням методу електротензометрування. Обробка експериментальних результатів проводилася методами математичної статистики.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- набула подальшого розвитку методологія аналізу локальної взаємодії циліндричних оболонкових конструкцій з жорсткими тілами шляхом поєднання методу скінченних елементів і аналітичних методів загальної теорії оболонок за рахунок застосуванням в аналітичних дослідженнях параметрів контактного тиску, визначених числовим методом;

- удосконалено спосіб оцінювання точності розрахунку НДС локально наван­тажених циліндричних оболонкових конструкцій у зонах контактної взаємодії обо­лонки з жорсткими тілами із застосуванням збіжності перших та других головних напружень у точках з максимальними напруженнями;

- удосконалено спосіб зниження напружень у зонах локальної взаємодії довгомірних циліндричних оболонок із твердими тілами завдяки раціональному добору розмірів підкладок, а також числа, форми, розмірів і розташування опорних роликів;

- вперше теоретично обґрунтовані і експериментально підтверджені умови безпечної взаємодії довгомірних циліндричних оболонок із жорсткими роликами робочого органу підйомника.

Практичне значення одержаних результатів:

– удосконалена методологія аналізу локальної взаємодії циліндричних оболон­кових конструкцій з жорсткими тілами дає можливість добирати раціональні розміри фрагмента моделі оболонки, що безпосередньо взаємодіє з опорним роли­ком, а також раціональні геометричні характеристики сітки фрагмента для отриман­ня адекватних значень напружень в процесі розрахунку локально навантажених оболонкових конструкцій на міцність методом скінченних елементів;

- на основі аналізу напружено-деформованого стану надземних ділянок трубо­проводів під час проведення ремонтно-відновлювальних робіт з урахуванням кон­тактної взаємодії тонкостінної оболонки з жорстким роликом як безпосередньо, так і через концентричну металеву підкладку, обґрунтовані практичні рекомендації щодо конфігурації робочих органів підйомника;

- розроблений і захищений патентом на корисну модель новий ефективний спосіб ремонту багатоопорних балкових переходів трубопроводів великого діа­метра.

Методика розрахунку параметрів напружено-деформованого стану надземних ділянок трубопроводів під час їх локального навантаження роликами підйомника та рекомендації щодо добору конфігурації і розмірів конструктивних елементів під­йомника пройшли промислове випробування в ТзОВ “Магістральне будів­ництво”, м. Київ.

Дослідний зразок підйомника, а також методика розрахунку параметрів НДС локально навантажених надземних ділянок трубопроводів успішно зарекомендували себе під час проведення ремонтно-профілактичних робіт на надземних перехо­дах магістральних газопроводів “Торжок – Долина” (Ду 1400 мм) через ріку Случ та “Івацевичі – Долина ІІІ нитка” (Ду 1200 мм) через ріку Західний Буг.

Особистий внесок здобувача. У спільних роботах автором проаналізовано технологію ремонту надземних переходів магістральних трубопроводів середнього діаметра і конструк­цій підйомників, які при цьому використовуються, та виявлено недоліки, що уне­можливлюють їх використання для ремонту переходів трубопроводів великого діаметра [1–3]; запропоновано новий спосіб ремонту балкових переходів трубопро­водів великого діаметра [9]; побудовано комп’ютерні моделі контактної взаємодії довгомірної циліндричної оболонки з опорними роликами ланцюга підйомника та визначено параметри НДС оболонки методом скінченних елементів [10, 12]; встановлено залежність параметрів НДС оболонки від конструктивних параметрів робочого органу підйомника [11, 13]; розглянуто особливості виконання ремонтно-профілактичних робіт на балкових переходах магістральних газопроводів великого діаметра за допомогою нового підіймального пристрою [14, 15].

Апробація результатів дисертації здійснена на 4-х міжнародних науково-технічних конференціях та симпозіумах (10-я Юбилейная международная промыш­ленная конференция «Эффективность реализации научного, ресурсного и промыш­ленного потенциала в современных условиях», с. Славське, 2010 р.; 10-й Міжнарод­ний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, 2011 р.; 11-й Міжнарод­ний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові, 2013 р.; 3-я Міжнародна науково-технічна конференція «Теорія та практика раціонального проекту­вання, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій», м. Львів, 2012 р.), на Всеукраїнській науково-технічній конференції «Системи автоматизованого проекту­вання та комп’ютерного моделювання в технології машинобудування», м. Львів, 2013 р., а також на науково-технічній нараді ДК «Укртрансгаз», м. Яремче, 2011 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 15 наукових працях, серед них 7 статей надруковано у фахових наукових виданнях України (3 одноосібні), 5 праць – у збірниках матеріалів науково-технічних конференцій та симпозіумів, 1 праця – в іноземному (Штудгарт, ФРН) періодичному науково-технічному виданні, 1 праця – у виданні, яке не увійшло до переліку фахових видань України, 1 патент на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4-х розділів, висновків, списку використаних джерел, який налічує 110 найменувань і 3-х додатків. Робота викладена на 180 сторінках, містить 123 рисунки та 15 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність розв’язання поставлених науково-прикладних задач, висвітлено їх зв’язок з державними науковими програ­мами та темами кафедри, сформульовано мету і задачі досліджень, окреслено науко­ву новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наводиться огляд застосування довгомірних ци­ліндричних оболонкових конструкцій в транспортному машинобудуванні, у великогабаритному технологічному устаткуванні, в інженерних спорудах тощо та проводиться аналіз сучасного стану проблеми забезпечення міц­ності цих конструкцій. Дається характеристика основних аналітичних і числових методів аналізу напружено-деформова­ного стану оболонок та відзначаються особливості урахування локальних навантажень. Приділя­ється увага сучасним методам розв’язання контактних задач для оболон­кових кон­струкцій. Як приклад актуальної задачі з розрахунку на міцність локально навантаженої циліндричної оболонкової кон­струкції розглядаєть­ся взаємо­дія труби надземної ділянки магістрального трубопроводу з опор­ними роликами підйомника для проведення ремонтно-профілактичних робіт (рис. 1).

Контактні задачі теорії пластин і оболонок розглядали такі вітчизняні та зарубіжні автори, як , , Е. І. Григо­люк, , І. В. Кузьо, , ­сюк, Ю. М. Микольський, С. П. Тимо­шенко, Ю. К. Рудавський, М. А. Сухо­рольський, Б. Л. Пелех, та інші. Однак, взаємодія оболонки з жорст­ким роликом, у випадку, коли один із розмірів площадки контакту (ширина) є невідомим і формується в процесі притис­кання ролика до оболонки, досліджена не­достатньо. Ця задача є актуальною і без­посередньо пов’язана із забезпеченням міцності локально навантажених довго­мірних циліндричних оболонкових кон­струкцій.

Рис.1. Функціональна схема підій­мального пристрою з гідроприво­дом: 1 – трубопровід; 2 – опорні ролики; 3 – гнучкий зв'язок (лан­цюг); 4 – гідроциліндр; 5 – пло­щина опори

Такі задачі доцільно розв’язувати за допомогою сучасних CAD/CAE-систем, побудованих із застосуванням методу скінченних елементів (МСЕ) з можливістю проведення нелінійного аналізу НДС, наприклад, системи SolidWorks Simulation. Комп’ютерне моделювання на основі МСЕ є достатньо універсальним сучасним засобом визначення НДС елементів конструкцій будь-якої форми з урахуванням їх контактної взаємодії. Однак, в процесі практичної реалізації цього підходу нерідко виникають труднощі прогнозування точності розрахунків, яка значною мірою залежить від параметрів сітки, що застосовується в процесі розбиття деталей на скінченні елементи. Тому фахівці у галузі комп’ютерного моделювання і, зокрема, розробники програмного забезпечення рекомендують проводити порівняльний ана­ліз одержуваних числових результатів з результатами, одержаними за допомогою відомих і добре апробованих аналітичних методів, або, у випадку їх відсутності, з результатами експериментальних досліджень.

У другому розділі розглядаються результати побудови комп’ютерних моделей та визначення параметрів НДС довгомірних циліндричних тонкостінних оболонок з урахуванням їх контактній взаємодії з жорсткими роликами за допомогою методу скінченних елементів в програмному середовищі SolidWorks Simulation.

Запропоновні комп’ютерні моделі грунтуються на застосуванні загальної теорії оболонок, що дає змогу визначати локальні напруження у місцях взаємодії довгомірної оболонки та жорсткого ролика. Застосування цієї теорії і, відповідно, об’ємних скінченних елементів (10-точкових тетраедрів), вимагає значних машинних ресурсів. Тому в процесі розв’язання задач комп’ютерного моделювання за допомогою сучасних ПК використовуються багатосекційні моделі (рис. 2, а, б), що дозволяє розбивати однорідну модель на блоки скінченних елементів різних розмірів та ущільнювати сітку розбиття в міру наближення до місця локальної взаємодії оболонки з роликом.

а	б	в

Рис. 2. Комп’ютерна модель взаємодії оболонки з жорстким роликом:

а – секційна модель оболонки та ролика; б – фрагмент моделі; в – розподіл контактного тиску по площадці контакту

Дослідження напружено-деформованого стану оболонкової конструкції та ро­лика з урахуванням їх контактної взаємодії показують, що контактний тиск на пло­щадці контакту розподілений нерівномірно (рис. 2, в). Значення тиску змінюється як вздовж площадки контакту, так і впоперек неї.

Нерівномірно розподіленими є й контактні та згинальні напруження, що вини­кають в місці локальної взаємодії оболонки та ролика як за довжиною (рис. 3, а), так і за шириною (рис. 3, б) площадки контакту. У позначеннях напружень індекс х вказує на контактні (радіальні) напру­ження, індекси y і z – на кільцеві та поздовжні згинальні напруження, індекси 1 і 2 – на зовнішню та внутрішню поверхню оболон­ки відповідно.

а	б

Рис. 3. Розподіл напружень на площадці контакту (а – вздовж площадки; б – впоперек площадки): 11 – σx1; 21 – σy1; 31 – σz1; 22 – σy2; 32 – σz2

Як випливає з розрахунків, радіальні напруження на внутрішній поверхні обо­лонки відсутні, що вказує на їх поверхневий (контактний) характер і підтверджує відоме положення про малі значення радіальних напружень в оболон­кових кон­струкціях, чого не можна стверджувати щодо контактних напружень.

Абсолютні значення згинальних напружень біля зовнішньої поверхні оболонки є значно більшими від значень аналогічних напружень біля її внутрішньої поверхні. Це пояснюється додаванням 1-х та 2-х головних контактних напружень до поздовж­ніх та поперечних компонент згинальних напружень біля зовнішньої поверхні обо­лонки. Беручи до уваги рівність 1-х та 2-х головних контактних напружень у місцях їх максимальних значень (рис. 3, б) і припускаючи, що значення згинальних напружень біля внутрішньої поверхні оболонки σy2 та σz2 при подаль­шому ущільненні сітки практично не зміню­ються, точність розрахунку параметрів НДС оцінюємо за формулою:

(1)

Проведені дослідження точності обчислення напружень, що виникають в обо­лонці в процесі її взаємодії з жорстким циліндричним роликом, вказують на таку особливість: похибка обчислень є найменшою у випадку, коли ширина централь­ного фрагмента оболонки (рис. 2, б) є найближчою до ширини площадки контакту, яка утворюється внаслідок взаємодії оболонки з роликом (рис. 2, в), а сам фрагмент за шириною розбито на вісім рядів сітки.