МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАТРУБКА С УСИЛИВАЮЩЕЙ НАКЛАДКОЙ

В данной работе рассматриваются подходы моделирования в универсальной программной системе конечно-элементного анализа ANSYS распространенного элемента сосудов – патрубка с усиливающей накладкой (воротником).

Моделирование данных элементов сосуда с использованием твердотельных элементов (SOLID) является наиболее точным, но требует существенных временных затрат. Однако подобные элементы сосудов можно моделировать и с использованием оболочечных элементов (SHELL), при этом получая удовлетворительные результаты по точности и значительно сокращая временные затраты.

Для определения оптимального способа моделирования было проведено четыре машинных эксперимента cразличными методами построения указанного выше элемента сосуда (табл. 1).

 

Табл. 1. Методы построения

Тип элемента Значение аргумента для SECOFFSET* Обозначение
обечайка, патрубок, заглушка накладка
SHELL MID MID shell_mid
SHELL BOT BOT shell_bot
SHELL MID USER shell_mu
SOLID - - solid

 

Моделируемый элемент сосуда имеет следующие геометрические размеры:
-внутренний диаметр обечайки Dвн = 3980 мм;
-внутренний диаметр патрубка = 480 мм;
-диаметр усиливающей накладки = 800 мм;
-толщина обечайки, патрубка, заглушки и усиливающей накладки = 20 мм.

Результаты расчета моделей оценивались по двум параметрам:
- UZ – перемещения по оси Z;
- SINT– эквивалентные напряжения по теории наибольших касательных напряжений (III теория прочности).

На рис. 1 и 2 представлены оболочечная и твердотельная модели с указанием основных компонентов.

 

Оболочечная модель патрубка Твердотельная модель патрубка
Рис. 1. Оболочечная модель Рис. 2. Твердотельная модель

 

В табл. 2 представлена схема и конечно-элементная сетка моделей.

 

Табл. 2. Модели

Название Схема Сетка
shell_mid Схема построения обечайки с накладкой Конечно-элементная сетка обечайки с накладкой
shell_bot Схема построения обечайки с накладкой Конечно-элементная сетка обечайки с накладкой
shell_mu Схема построения обечайки с накладкой Конечно-элементная сетка обечайки с накладкой
solid Схема построения обечайки с накладкой Конечно-элементная сетка обечайки с накладкой

 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 11 - осевая линия обечайки;
 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 12 - поверхность выдавливания shell элементов;
 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 13 - shell элементы;
 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 14 - solid элементы.

 

Результаты расчетов сведены в табл. 3 и 4**.

 

Табл. 3. Карта распределения UZ, [м]

Название Масштабный коэффициент 300 Масштабный коэффициент 1
shell_mid Карта распределения перемещений Карта распределения перемещений 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 17
shell_bot Карта распределения перемещений Карта распределения перемещений
shell_mu Карта распределения перемещений Карта распределения перемещений
solid Карта распределения перемещений Карта распределения перемещений

 

 Табл. 4. Карта распределения SINT (масштабный коэффициент 1), [Па]

Название Вид №1 Вид №2 Шкала
shell_mid  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 26
shell_bot  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 29
shell_mu   Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 32
solid   Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 35
shell_mid Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 38
shell_bot  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке
shell_mu  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке
solid  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке  Карта распределения интенсивности напряжений в патрубке

 

Выводы:
1) Перемещения в моделях shell_bot и shell_mu качественно и количественно похожи на solid, только отличаются зоны с максимальными перемещениями (обозначено 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 45).
2) Место с максимальными напряжениями (MX) у моделей shell_mid и shell_mu совпадает с solid (обозначено 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 46).
3) Напряжения в модели shell_mu качественно и количественно совпадает с solid (обозначено 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 47).
4) Модель shell_bot имеет проблемы на границах закрепления (обозначено 10 modelirovaniye patrubka s usilivayushchey nakladkoy 49).

 

Заключение:
1) При моделировании целого объекта необходимо использовать оболочечный элемент (SHELL) с SECOFFSET,MID для построения обечаек, патрубков, заглушек и с SECOFFSET,USER для построения накладок (модель shell_mu).
2) Для более точной оценки напряжений в зоне патрубка возможно дополнительно проводить субмоделирование.

 

*Примечание:
SECOFFSET – команда ANSYS.

**Примечание:
При выводе результатов в оболочечных моделях (shell_mid, shell_bot и shell_mu) была использована команда SHELL,TOP (SHELL,BOT).

 

скачать "МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАТРУБКА С УСИЛИВАЮЩЕЙ НАКЛАДКОЙ"

 

Дополнительная информация.

Граничные условия для различных расчетных схем идентичны и представлены в табл. 5. 

Табл.5. Граничные условия

Внутреннее давление на патрубок  Ограничение степеней свободы в патрубке 
 Внутреннее давление  Ограничение степеней свободы

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

Комментарии  

0 # Денис 09.07.2015 20:45
Нет информации о заданных граничных условиях
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
0 # Михаил 10.07.2015 11:00
В конец материала добавлены рисунки с граничными условиями.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+1 # Михаил 30.07.2015 22:28
В краткий отчет были внесены существенные изменения, повлиявшие на заключение. Ранее при анализе напряжений в оболочечных моделях было включено отображение усредненных по толщине напряжений (SHELL,MIDDLE). Однако, усредненное напряжение в поверхностной модели не корректно сравнивать с напряжениями в твердотельной модели, необходимо отображение поверхностных составляющих напряжений (SHELL,TOP или SHELL,BOT).
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать