Расчет трубопроводной арматуры. Часть II. Создание расчетной модели.

PIPELINE VALVE ANALYSIS. PART II. DESIGN MODEL DEVELOPMENT.

Приведена последовательность и даны рекомендации по созданию расчетных моделей для расчета современными методами.

The paper deals with the chain of design model development and gives some useful recommendations.

Ключевые слова: моделирование арматуры, расчет арматуры в ANSYS, метод конечных элементов, термодинамический расчет, диаграмма материала.

Keywords: valve modeling, valve analysis by ANSYS, finite-element method, thermodynamic analysis, stress-strain curve.

 

Введение

В данной статье приведена последовательность создания расчетной модели для расчета современными методами, преимущества которых представлены в [1], на примере антипомпажного клапана (далее арматура). Арматура предназначена для обеспечения нормальной работы компрессора и устранения явления помпажа, ее основные характеристики отражены в табл.1.

Табл.1. Основные характеристики арматуры

Параметр Значение
Материальное исполнение корпус ASTMA352 Gr.LCC
крышка ASTM A350 Gr. LF2 Cl.1
стакан, шток, затвор 17-4 PH
шпильки ASTM A320 Gr.L7
Рабочая среда Аммиак (98,48÷99,79%)
Номинальный диаметр DN, [мм] 300
Номинальное давление PN, [МПа] 4
Температура рабочей среды, [°С] +156
Температура окружающей среды, [°С] -43÷39
Масса, [кг] 935

 

Построение геометрии

Создание расчетной модели арматуры начинается с построения геометрической модели (рис.1а). В рассматриваемом примере, в качестве программы для моделирования была использована система твердотельного и поверхностного моделирования AutodeskInventor. Размеры были приняты в соответствии с проектной документацией, причем толщину необходимо задавать с учетом расчетного срока службы и скорости коррозии. Затем геометрическая модель была импортирована в универсальную программную систему конечно-элементного анализа ANSYS (рис.1б). После задания свойств материалов полученная континуальная модель была разбита на конечные элементы (рис.1в). 

Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры 
а) геометрическая б) континуальная в) конечно-элементная
Рис.1. Модели арматуры

 

Определение свойств материала

В зависимости от проверяемого предельного состояния используются различные диаграммы материала: упруго-пластическая, упруго‑идеальнопластическая или циклическая.

Все диаграммы материала представляют собой зависимость напряжения не только от деформации, но и от температуры.

Упруго-пластическая диаграмма строится на основании модели материала Multilinear Isotropic Hardening в ANSYS (рис.2а).

 Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры 
а) общий вид б) определенная в Mathcad
Рис.2. Упруго-пластическая диаграмма материала корпуса арматуры

 

Диаграмма ограничивается значением истинного напряжения при истинной деформации, после которого начинается идеальнопластический участок. Расчетные значения напряженно-деформационных характеристик принимаются в соответствии с [2], прил.3-D, п.3-D.3 (рис.2б).

Упруго-идеальнопластическая диаграмма строится на основании модели материала Bilinear Kinematic Hardening в ANSYS (рис.3а).

Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры
а) общий вид б) определенная в Mathcad
Рис.3. Упруго-идеальнопластическая диаграмма материала корпуса арматуры

 

Линейные участки моделируют зону упругой работы и площадку текучести материала. Участок пластической работы материала рекомендуется задавать с незначительным упрочнением для обеспечения лучшей сходимости. Расчетные значения напряженно-деформационных характеристик принимаются в соответствии с [3] - рис.3б.

Данная диаграмма позволяет учитывать кинематическое упрочнение при переменном нагружении (эффект Баушингера).

Циклическая диаграмма строится на основании модели материала Multilinear Isotropic Hardening в ANSYS (рис.4а).

Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры 
а) общий вид б) определенная в Mathcad
Рис.4. Циклическая диаграмма материала корпуса арматуры

 

Расчетные значения напряженно-деформационных характеристик принимаются в соответствии с [2], прил.3-D, п.3-D.4 (рис.4б).

Данная диаграмма представляет собой кривую усталости, основанную на испытательных образцах в виде гладкого бруска.

Для автоматического учета влияния температуры на физико-механические свойства материала их рекомендуется задавать зависящими от температуры (рис.5).

 Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры
а) модуль упругости I рода, Па/C˚ б) коэффициент теплопроводности,
(Вт/м·C˚)/C˚
в) коэффициент линейного температурного расширения, (1/C˚)/C˚
Рис.5. Графики зависимостей основных физико-механических свойств материала корпуса арматуры от температуры

 

Моделирование нагрузок и воздействий

Полученной конечно-элементной модели задаются расчетные нагрузки и воздействия. На арматуру действуют собственный вес и вес электропривода, внутреннее давление, температура внутренней и окружающей среды, усилия затяжки шпилек, а также различные ограничения степеней свободы.

Нагрузки от собственного веса учитываются автоматически заданием плотности материалов и ускорения свободного падения. Вес электропривода рекомендуется моделировать распределенной нагрузкой для уменьшения общей вычислительной размерности (рис.6а).

При моделировании нагрузок от внутреннего давления необходимо обратить внимание на некоторые особенности. Во-первых, в зависимости от положения затвора давление может воздействовать как на всю внутреннюю поверхность, так и только на ее часть, что может быть гораздо опаснее (рис.6б). Во-вторых, в случае если привод арматуры не имеет независимой опоры, необходимо учитывать передачу давления с затвора на другие элементы арматуры (например, крышку или шпильки).

Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры
а) распределенная нагрузка от электропривода б) область приложения давления при различном положении затвора
Рис.6. Моделирование нагрузок и воздействий

 

Нагрузки от температурного воздействия моделируются приложением расчетной температуры на соответствующие конечные элементы арматуры и заданием начальной температуры материалов арматуры. В качестве расчетной температуры рекомендуется принимать фактическое конечное распределение температур в материале, для чего требуется провести термодинамические расчеты (рис.7). За исходную температуру для термодинамического расчета принимается температура внутренней среды при рассматриваемом расчетном режиме и соответствующая температура окружающей среды.    

Расчет трубопроводной арматуры Расчет трубопроводной арматуры
 Расчет трубопроводной арматуры
Рис.7. Карты распределения температуры по результатам термодинамического расчета для летнего сезона при закрытом затворе, C˚

 

В случае, если необходимо учесть температурное воздействие с коэффициентом перегрузки, то рекомендуется вводить данный коэффициент к коэффициенту линейного расширения, что позволит оставить свойства материала неизменными.

Для моделирования предварительного натяжения шпилек от силы затяжки были использованы элементы PRETS179.

Ограничения степеней свободы в данном случае выражаются в виде закреплений (задания условия симметрии, закрепления основания и др.) и контактных взаимодействий элементов. Для моделирования контактных взаимодействий элементов были использованы элементы TARGE170 и CONTA174, причем элементы TARGE рекомендуется делать больше элементов CONTA.

В результате общая вычислительная размерность каждой расчетной модели составила 380323 узлов и 108666 элементов.

 

Заключение

Создание модели для применения современных методов расчета требует определенных навыков и опыта владения различными программными комплексами. Однако в результате становится возможным смоделировать реальную геометрию арматуры; определить фактическое распределение температуры по всему объекту, на основании чего учесть изменение свойств материала; взаимное влияние элементов конструкции и пр. Возможность учета всевозможных факторов, влияющих на работу арматуры, позволяет заранее прогнозировать ее работу в различных ситуациях [4].

 

Список использованной литературы

1. Кавардак А., Черных М., Чурилов А., Журавлев А. Расчет трубопроводной арматуры. Часть I. Преимущества расчета современными методами // САПР и графика. 2016. № 3. С78-80.

2. ASME BPVC. Section VIII. Division 2. 2015. Asme Boiler and Pressure Vessel Code AN INTERNATIONAL CODE. VIII Rules for Construction of Pressure Vessels. Division 2 Alternative Rules.

3. ASME BPVC. Section II. Part D. 2015. ASME Boiler and Pressure Vessel Code AN INTERNATIONAL CODE.  Section II Materials. Part D Properties (Metric).

4. CAE-CUBE: [Электронный ресурс]. URL: http://cae-cube.ru/ (дата обращения 12.02.2016).

скачать статью "РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ. ЧАСТЬ II. СОЗДАНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ"

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

Комментарии  

-1 # Анпилов В.Н. 15.05.2016 10:28
добрый день,
расчеты арматуры, без учета самой системы трубопроводов - считаю бессмысленными.
Сами же трубопроводы - толком никто не считает, чаще всего используют что-то из "сертифицированных" астролябий типа СТАРТа и пр..., даже на АЭС никто толком ничего не расчитывает...
... получается замкнутый круг....
из моего общения с производителями арматуры - я сделал вывод, что ни на одном из российских предприятий - никто толком расчеты не выполняет ..., в лучшем случае делают "для галочки" красивые картинки - чаще всего в SolidSimulation или ANSYS/Workbench

вот пример прочностного расчета запорно-регулирующего клапана
www.fayloobmennik.net/5819335

как показали расчеты, вся конструкция клапана - сплошная нелепость... все нужно изменять.... в смысле размеров
сама конструкция создана аж в 1902 году... так её до сих пор и делают....
на заводе никто из конструкторов - вообще ничего не понимает в прочности - даже на самом примитивном уровне...
... ну и так далее....
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+3 # Надежда 15.05.2016 12:41
Валерий, зря Вы так считаете: проектировать надо так, что бы трубопроводы не оказывали значительного влияния на арматуру. Иначе заводу придется не серийно арматуру выпускать, а под каждую обвязку арматуру проектировать.

Ваш пример расчета очень простенький. Без обид.

Посмотрите как надо делать. Это просто другой уровень: cae-cube.ru/.../...
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать