Материал: Системы обеззараживания сточных вод

Сокращение сроков проектирования технического оборудования формирует необходимость использования при их создании современных методов исследования различных физических процессов. В современных программных продуктах, получивших название Computer Aided Engineering (CAE - компьютерная поддержка инженерного анализа), численные методы получили широкое распространение и применение в инженерной среде.

Основной причиной широкого распространения CAE - систем является интенсивный рост вычислительных мощностей компьютеров и признание роли компьютерного моделирования для повышения качества выпускаемой продукции, ускорения производства новых изделий и снижения затрат на их разработку.

Современные CAE - продукты становятся более удобными в эксплуатации. При этом совершенствование аналитического программного обеспечения сопровождается снижением стоимости и повышением доступности высокопроизводительных компьютеров, поскольку инженерные расчёты требуют большой вычислительной мощности.

В данной магистерской работе прочностные расчеты выполняются с помощью программы SolidWorks. Ее возможности позволяют инженеру выполнять анализ прочности деталей и кинематики механизмов, создавать трехмерные детали и сборки, оформлять конструкторскую документацию в соответствии с требованиями ГОСТ.

Анализ потока жидкости осуществляется в среде Flow Simulation. Данный модуль обеспечивает проведение газо- и гидродинамических расчетов.

Анализ потока жидкости осуществляется в среде Flow Simulation. Данный модуль предназначен для применения в различных отраслях промышленности (теплообмен и вентиляция в помещениях, радиоэлектронная промышленность, трубопроводная арматура, авиация, кораблестроение и др.) и проведения газо- и гидродинамических расчетов.

В процессе проектирования сложных технических изделий возникает потребность проведения натурных экспериментальных аэро-, гидро- и термодинамических исследований, которые позволяют определить работоспособность отдельных узлов изделия в конкретных условиях эксплуатации. Недостатком такого подхода является увеличение времени на подготовку таких исследований и их высокая стоимость.

Современным путем создания высокоэффективной техники является использование параметрических численных исследований, которые с достаточно высокой точностью моделируют рассматриваемые физические явления.

При этом такие типы расчетов выполняются с помощью программного обеспечения, основанного на достаточно адекватных рассматриваемым физических явлениям математических моделях и обеспечивающей проведение гидро- и термодинамических расчетов в рамках приемлемого промежутка времени.

Программный модуль FlowSimulation, основанный на последних достижениях вычислительной гидро- и газодинамики, делает возможным осуществление достаточно широкого круга инженерных задач. При этом в качестве граничных условий могут быть заданы параметры на стенке (реальной или идеальной), во входных и выходных отверстиях, приточные и вытяжные вентиляторы, температура, тепловые и радиационные потоки, объемные и поверхностные источники тепла.

Для привязки математической модели к инженерной задаче и к конкретной расчетной области в SolidWorks FlowSimulation применяется метод фиктивных областей.

Необходимость задания начальных условий (значений физических параметров среды в расчетной области) определяется используемой математической моделью и методами их решения. Задание же граничных условий (условий на границах расчетной области) обязательно для любой задачи, поскольку именно они определяют взаимосвязь физических процессов в расчетной области с процессами, протекающими вне ее.

В зависимости от способа задания границ расчетной области все задачи вычислительной гидро-, термодинамики подразделяются на внутренние и внешние.

Во внутренних задачах заполненная текучей средой расчетная область ограничена стенками модели, при этом некоторые поверхности стенок рассматриваются в качестве входного и выходного отверстий модели.

Во внешних задачах расчетная область, которая заполнена текучей средой, ограничена плоскостями расчетной сетки, параллельными координатным плоскостям и полностью лежащими в текучей среде, которая обтекает модель.

Для нахождения искомого численного решения задачи непрерывная нестационарная математическая модель физических процессов дискретизируется по пространству и времени. Для дискретизации по пространству расчетная область разбивается конечно-элементной сеткой, грани ячеек которой параллельны плоскостям, применяемой в SolidWorks декартовой системы координат.

Другой модуль - Simulation позволяет проводить статический и динамический анализ (линейный и нелинейный) на основе метода конечных элементов (МКЭ).

Применение таких программных сред и их модулей в инженерной практике ускоряет процесс проектирования изделия и его последующий анализ. позволяет еще на стадии проектирования учитывать многие нюансы и создавать оптимальные изделия.

1.5 Метод конечных элементов

Метод конечных элементов (МКЭ) - это метод приближенного численного решения интегральных, а также дифференциальных уравнений с частными производными, возникающих при выполнении различных инженерных задач. В его основе лежат две главные особенности:

. дискретизация исследуемого объекта на конечные элементы;

. кусочно-элементная аппроксимация исследуемых функций.

Историческими предшественниками МКЭ были различные методы строительной механики и механики деформируемого твердого тела, которые использовали дискретизацию. Пуассон в начале XIX века предложил рассматривать сплошную среду в качестве системы конечных объемов. Д. Максвелл, А. Кастильяно и их современники во второй половине XIX века заложили основы анализа стержневых конструкций. В дальнейшие годы были сформулированы метод сил, а потом уже и метод перемещений.

Технический прогресс XX века, быстрое развитие и совершенствование цифровых электронных вычислительных машин способствовали созданию условий для развития расчетных алгоритмов, основанных на декомпозиции конструкций. Активное применение ЭВМ в инженерных расчетах берет начало с 50-х годов, что способствовало появлению различных матричных методов анализа конструкций.

В 1960 г. Клаф ввел термин "конечные элементы". Мелош в 1963 г. доказал, что МКЭ можно рассматривать в качестве варианта метода Ритца. В вариационном методе Ритца исходная функция аппроксимируется конечной функцией базисных функций, умноженных на неизвестные коэффициенты. базисные функции должны удовлетворять граничным условиям задачи. Данное ограничение было снято Курантом в 1943 г., который решал задачу о кручении методом Ритца. Он использовал кусочно-линейные аппроксимирующие функции на треугольных подобластях - конечных элементах. Неизвестными коэффициентами являлись значения исходной функции в узлах конечных элементов. Работа Куранта, в своем роде, стала первой реализацией метода конечных элементов.

Область применения этого метода значительно расширилась, когда для его обоснования стали применяться методы взвешенных невязок - Галёркина и наименьших квадратов.

Основное отличие МКЭ от классических алгоритмов вариационных принципов заключается в выборе базисных функций. Они берутся в виде кусочно-непрерывных функций, которые обращаются в нуль, кроме ограниченных подобластей - конечных элементов. Это ведет к ленточной разреженной структуре матрицы коэффициентов разрешающей системы уравнений.

Применение вариационных принципов и методов взвешенных связок дало возможность глубже понять основы МКЭ и определить условия сходимости этого численного метода к точному решению.

В основе МКЭ лежит представление объекта исследования в виде набора некоторых простых с геометрической точки зрения фигур, называемых конечными элементами, которые взаимодействуют между собой только в узлах. Расположенные определенным образом (в зависимости от конструкции объекта) и закрепленные в соответствии с граничными условиями конечные элементы, форма которых определяется свойствами исследуемого объекта, позволяют отобразить многообразие деталей и механических конструкций.

Например, плоскую форменную конструкцию можно смоделировать набором плоских стержневых фигур, рамную - набором объемных стержневых элементов, различного рода пластины и оболочки - множеством плоских треугольников или прямоугольников. Геометрически объемные тела грамотнее всего представлять в виде комплекса элементарных призм, параллелепипедов, пирамид, и т. д. (рисунок 4).

Рисунок 4 - Сетка конечных элементов

Интенсивному росту популярности метода конечных элементов и становлению его ведущим методом численного решения различных инженерных и физических задач способствовал ряд преимуществ перед многими другими методами. Основные преимущества МКЭ:

. исследуемые объекты могут иметь любую форму и различную физическую природу - твердые деформируемые тела, жидкости, газы и пр.;

. конечные элементы могут иметь различные размеры;

. вероятность исследования однородных и неоднородны, изотропных и анизотропных объектов с линейными и нелинейными свойствами;

. возможность решать стационарные и нестационарные задачи;

. вероятность решения контактных задачх;

. возможность моделировать любые граничные условия;

. вычислительный алгоритм, представленный в матричной форме;

. возможность решать различные задачи на одной и той же сетке КЭ, что упрощает анализ связанных задач;

. разрешающая система уравнений имеет разреженную симметричную ленточную матрицу "жесткости", что ускоряет вычислительный процесс на ЭВМ.

На сегодняшний день МКЭ является мощным инструментом физических исследований и инженерного анализа.

1.6 Постановка цели и задачи исследования

Резервуары для обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением находят все большее применение на сегодняшний день. Данное оборудование активно внедряется на различных промышленных предприятиях, поскольку в наше время существует потребность в наличии воды пригодной для потребления человеком.

На сегодняшний день в компании ООО "Александра-Плюс" разработка конструкторской документации резервуаров происходит без моделирования процессов протекания жидкости в рабочей емкости. Требование безопасности делает необходимым проведение испытаний конструкции на прочность при давлении воды в рабочем и аварийном режимах. В процессе эксплуатации основную нагрузку воспринимают фланцы, которые служат опорами кварцевых чехлов с расположенными внутри них ультрафиолетовыми (УФ) лампами.

Данный процесс имеет ряд существенных недостатков:

·        повышенная материалоемкость;

·        увеличение материальных затрат и времени на изготовление деталей и сборки всего резервуара, из-за отсутствия результатов прочностных расчетов на этапе разработки конструкторской документации.

Поэтому целью данной магистерской диссертации является анализ прочностных свойств компонентов резервуара и последующая оптимизация его конструкции.

Исходя из цели, необходимо решить ряд задач:

·        провести анализ существующих методов расчета применимо к объекту исследования;

·        смоделировать процесс протекания жидкости в емкости и оценить характер изменения скорости и потока;

·        с учетом данных, полученных в результате гидродинамического анализа, провести расчет напряженно-деформированного состояния резервуара и его компонентов;

·        оптимизировать конструкцию рабочей емкости;

·        оценить возможность практического применения результатов диссертации.

2. Проектирование и расчет сосудов, работающих под давлением

Во многих технологических процессах на предприятиях применяются емкости и баки, которые эксплуатируются под давлением. Такие сосуды подпадают под действие правил безопасности ПБ 03-576-03 "Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением" [13].

Данные Правила устанавливают требования к разработке, устройству, изготовлению, реконструкции, наладке, монтажу, ремонту, техническому диагностированию и эксплуатации сосудов, (цистерн, бочек, баллонов, барокамер, емкостей, резервуаров, баков), работающих под давлением.

Перед сдачей в эксплуатацию все сосуды и аппараты, работающие под давлением, подвергаются различного рода испытаниям. Конструкция оборудования должна обеспечивать требуемые прочность, надежность и безопасную эксплуатацию в течение всего срока службы. Помимо этого, конструкция должна предусматривать возможность технического освидетельствования, промывки, очистки, продувки, ремонта, эксплуатационного контроля металла и соединений.

Испытания сосудов, работающих под давлением, должны проходить в полном соответствии с ПБ 03-576-03 "Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением" [13].

2.1 Общие положения при проектировании и расчете сосудов, работающих под давлением

Исходной информацией для разработки проекта служат следующие данные:

·              условия эксплуатации и назначение сосуда;

·              данные о технологических процессах, для реализации которых используется сосуд;

·              химический состав, фазовое состояние и прочие характеристики рабочей среды;

·              рабочие уровни температуры и давления.

) Эскизное проектирование.

На основании исходных данных, которые приведены в техническом задании, выполняется расчет сосуда на прочность, определяется толщина стенок и днищ, разрабатывается общий конструктив объекта. На данном этапе принимаются принципиальные решения относительно конструкции, формы, материалов, схемы монтажа и подключения сосудов, разрабатывается эскизный проект.

) Разработка конструкторской документации.

На этом этапе осуществляется разработка конструкторской документации с подробной проработкой сборочных единиц. Все изменения, которые вносятся в проектную документацию в процессе эксплуатации, ремонта, монтажа или наладки оборудования, в обязательном порядке должны быть согласованы с разработчиком.

В комплект рабочей документации входят следующие разделы:

· общие данные, расчет сосуда на прочность;

·              сборочные чертежи;

·              чертежи сборочных единиц;

·              деталировка;

·              спецификации;

·              руководства по монтажу, эксплуатации, техническому освидетельствованию, диагностированию, ремонту конструкций;

·              методику испытаний сосудов;

·              ведомость запасных частей;

·              документацию на комплектующие (редукторы, насосы, электродвигатели).

При разработке конструкции сосуда, работающего под давлением, необходимо обеспечить надежность, долговечность, технологичность оборудования, а также соответствие требованиям безопасности, монтажа и эксплуатации оборудования.

Стальные сосуды изготавливаются из листового материала, труб, поковок или отливок. При выборе материалов для сосудов необходимо принимать во внимание расчетное давление, химический состав, температуру, рабочую среду. а также условия эксплуатации оборудования. В зависимости от уровня расчетной температуры определяются физико-механические свойства материала и допускаемые напряжения.