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).
 |
 |
 |
| 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).
 |
 |
| 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).
 |
 |
| 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).
 |
 |
| 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).
 |
 |
 |
| 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).
 |
 |
| 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.
 |
 |
 |
|
| 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
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://premierdevelopment.ru/ (дата обращения 12.02.2016).
 |
скачать статью "РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ. ЧАСТЬ II. СОЗДАНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ" |
