Delist.ru

 Влияние геометрических несовершенств монтажных стыков стенки на малоцикловую прочность вертикальных стальных резервуаров (18.09.2007)

Автор: Василькин Андрей Александрович

в форме треугольника - «домик»;

с образованием косинусоидальной кривой стенки резервуара.

Решением задачи определения НДС монтажного стыка стенки резервуара занимались Ю.В.Соболев, А.Д.Колосков, В.М.Никиреев, П.Г.Почтовик и др.

НДС оболочки определяется с помощью вырезанной из нее полоски по дифференциальному уравнению цилиндрического изгиба пластины

- расчетное давление;

- радиус оболочки;

- радиальное перемещение монтажного стыка стенки в результате воздействия мембранного усилия.

может быть представлена в следующих видах:

- амплитудное значение начального отклонения от правильной цилиндрической формы;

- текущий угол, отсчитываемый от оси монтажного шва;

- угол обхвата зоны начального отклонения цилиндрической оболочки.

Аналитическое исследование работы цилиндрической полосы с локальным искривлением позволяет описать весь процесс развития пластических деформаций при постепенном увеличении интенсивности нагрузки от нуля до некоторого конечного значения. При этом цилиндрическая полоса последовательно проходит несколько стадий работы в локальной зоне: на первой стадии полоса в зоне искривления работает упруго, напряжения в крайних волокнах не достигают предела текучести; на второй стадии образуется односторонняя текучесть только со стороны растянутых волокон, увеличение нагрузки сопровождается распространением зоны текучести как по толщине, так и по длине искривленного участка; на третьей стадии в искривленном участке, с внутренней стороны стенки, сжимающие напряжения в крайних волокнах достигают предела текучести - участок искривления начинает работать в условиях двухсторонней текучести. Дальнейшее увеличение нагрузки влечет за собой уменьшение упругого ядра и сокращение зоны текучести по длине стенки.

На основании теоретических исследований работы оболочки с дефектами геометрической формы можно сделать следующие выводы:

расчет цилиндрического кольца большого диаметра, имеющего локальное отклонение от правильной цилиндрической формы, эквивалентен расчету цилиндрической полосы с таким же по форме и размерам геометрическим отклонением;

при первом загружении во время гидроиспытаний остаточные сварочные напряжения вдоль оси шва создают плоское напряженное состояние, что приводит к увеличению жесткости монтажного сварного шва. При последующих нагружениях происходит релаксация сварочных напряжений за счет пластической работы металла стенки в зоне шва.

Результаты экспериментальных исследований показали, что пластические деформации по длине искривления стенки модели резервуара и образцов из цилиндрических полос распространяются на ограниченном расстоянии от оси шва, в пределах 4 - 8 толщин стенки. По мере увеличения нагрузки доля изгибных деформаций уменьшается за счет уменьшения амплитуды прогиба, при этом зона развития пластических деформаций сужается. Таким образом, состояние стенки резервуара, имеющего начальное отклонение в зоне монтажного стыка, характеризуется нелинейной зависимостью перемещений от нагрузки. Развитие деформаций в зоне монтажного стыка протекает значительно интенсивнее, чем в стенке без начального искривления.

В третьей главе приведен алгоритм создания математической компьютерной модели резервуара с дефектом геометрической формы в зоне монтажного стыка стенки.

В общей постановке задача определения НДС пространственной конструкции сводится к решению системы, состоящей из дифференциальных уравнений равновесия Навье, геометрических соотношений Коши и уравнений совместности деформаций Сен-Венана. Определение НДС конструкций РВС представляет собой статическую задачу в нелинейной постановке.

- к разрушению конструкции.

- главные значения тензора напряжений.

Для проверки адекватности разработанной конечно-элементной модели резервуара было определено НДС стенки резервуара в области монтажного стыка с дефектом типа «клювик» по данным исследования экспериментального резервуара, приведенного в диссертации А.Д.Колоскова.

Работа материала в упруго-пластической стадии рассматривалась с использованием билинейной (рис.2) и мультилинейной диаграммы работы стали. Применение различных диаграмм при проведении расчета не показало значительной разницы в его результатах.

По полученным значениям остаточной пластической деформации и амплитуды упругих деформаций, используя известные условия прочности при малоцикловом нагружении, устанавливается число циклов до образования трещины N в области сварного шва при максимальной амплитуде нагрузки (полная нагрузка - разгрузка).

В самой простой постановке задачи расчета на первом этапе НДС стенки резервуара в области монтажного сварного стыка можно определить, используя балочную модель стенки резервуара. Этот расчет является оценочным и может служить для определения общей картины НДС стенки резервуара, выявления наиболее напряженных ее участков, а также позволяет быстро оценить НДС стенки и выявить участки для дальнейшего детального исследования (рис. 3).

На втором этапе моделирования уточняется сложное нелинейное НДС стенки с использованием оболочечных конечно-элементных моделей резервуара. Стенка резервуара рассматривается как трехмерная тонкостенная оболочка и аппроксимируется оболочечными элементами, применение которых позволяет достаточно точно определять реальную картину НДС стенки на участках, удаленных от мест концентрации напряжений.

3в местах изменения толщины стенки резервуара и на других участках концентрации напряжений. Как правило, именно такие участки являются наиболее нагруженными и служат источниками зарождения трещиноподобных дефектов, приводящих к наступлению предельного состояния стенки.

Поэтому на третьем этапе моделирования проводится анализ НДС стенки с дефектами геометрической формы с применением объемных конечно-элементных

Анализ прочности эксплуатирующихся РВС в предложенной автором последовательности позволяет определить фактическое НДС конструкции резервуара с учетом геометрической и физической нелинейности (табл.1).

На основании расчетов установлено, что перемещения и пластические деформации стенки из малоуглеродистой стали оказались больше, чем стенки из низколегированной стали. Для стенок из приведенных типов стали деформации затухают на расстоянии 8 толщин стенки от оси стыка и переходят в зону упрочения при достижении ею 15%-ной нагрузки, что согласуется с теоретическими данными.

Сравнение пластических деформаций в вершине стыка показало, что расхождение составило менее 10%. Это подтверждает адекватность разработанной математической модели, а также возможность анализа НДС стенки резервуара с геометрическими дефектами.

Результаты определения локальных деформаций

Данные Деформации, %

общие упругие пластич.

Экспериментальные данные, приведенные в работе А.Д.Колоскова - - 0,334

Результаты, полученные с помощью разработанных автором математических

балочной 0,38 0,03 0,35

оболочечной 0,42 0,036 0,38

объемной 1,9 0,41 1,5

Результаты, полученные в работах Ю.В.Соболева - - 0,321

В четвертой главе анализируются методы расчета РВС с дефектами геометрической формы при циклическом нагружении.

загрузка...