Материал: Системы обеззараживания сточных вод

·        = 2,3 - для углеродистых сталей, у которых: < 0,7;

·        = 1,9 - для аустенитных сталей.

Допускаемые напряжения для болтов при затяжке в рабочих условиях и при расчете на условия испытания вычисляют по формулам:

 (18)

 (19)

где  - коэффициент увеличения допускаемых напряжений при затяжке;

- коэффициент условий работы:

= 1,0 - для рабочих условий;

= 1,35 - для условий испытания.

- коэффициент условий затяжки:

= 1,0 - при обычной неконтролируемой затяжке; = 1,1 - при затяжке с контролем по крутящему моменту.

Рекомендуемые значения усилий предварительной затяжки болтов приведены в РД 37.001.131-89 [19].

- коэффициент учета нагрузки от температурных деформаций:

= 1,0 если нагрузка от температурных деформаций не учитывается;

= 1,3 при расчете фланцев с учетом нагрузки от температурных деформаций.

4.2 Условия статической прочности элементов сосудов, работающих под давлением

Согласно п.8 ГОСТ Р 52857.1-2007 [15] условия статической прочности элементов сосудов выполняются, при условии:

 (20)

 (21)

где - мембранные напряжения, МПа;

- изгибные напряжения, МПа.

Эти напряжения определяют вблизи лицевой кромки сварного шва (рисунок 46).

Рисунок 46 - Кромки сварного шва в месте приварки фланца

В данной магистерской работе сварные швы не моделируется в силу того, что смоделированная таким образом модель является заведомо менее прочной. Учет швов потребует увеличения наложения граничных и контактных условий на исследуемую модель, а также приведет к увеличению конечных элементов при создании сетки. Все это в совокупности ведет к усложнению геометрии модели и, соответственно, к росту времени самого расчета.

Мембранные и изгибные напряжения определяются на расстоянии, равному катету сварного шва. Для сосудов, работающих под давлением, места сварки определяются на стадии разработки и проектирования изделия. Таким образом, в данной работе рассматриваются зоны максимальной концентрации напряжений в месте приварки фланца к трубе, а также в местах соприкосновения болтов при присоединении ответного фланца.

Примером напряжений, относящихся к категории мембранных, являются средние напряжения растяжения/сжатия по толщине стенки цилиндрической оболочки, которые возникают под действием внутреннего давления. К изгибным напряжениям относятся такие напряжения, вызываемые как внутренним давлением, так и действием внешних сил и моментов.

Наглядно мембранные и изгибные напряжения можно показать в виде пластины, один конец которой жестко заделан (зафиксирован), а с другой стороны к ней приложены растягивающее усилие и изгибающий момент (рисунок 47).

Рисунок 47 - Типы напряжений

В этом случае мембранные напряжения вызваны растягивающим усилием, а изгибные - моментом.

4.3 Анализ результатов расчета напряженно-деформированного состояния

В процессе выполнения линейного расчета были получены следующие результаты: максимальное нормальное напряжение в зоне контакта болтов и фланца составило: σmax = 1571 (МПа); предел текучести равен: σy = 263,8 (МПа). Столь высокое значение максимального напряжения можно объяснить тем, что "поведение" материала в модели подчинено закону Гука, в соответствии с которым напряжение прямо пропорционально деформации, т. е. решающая программа не учитывает пластичные свойства материала.

Также здесь стоит отметить, что отличие между моделями МКЭ и нормативной методикой, заключается в том, что действие болтов заменяется болтовой нагрузкой без учета жесткости. Виртуальные болтовые соединения, которые учитывают действие стержня болта, его головки и гайки, завышают жесткость исследуемой модели относительно этой же модели с реальными болтами.

Болтовое соединение в SolidWorks имитируется следующим образом: стержень болта заменяется балкой, которая воспринимает изгиб и растяжение. Концы данной условной балки соединяются абсолютно жесткими стержнями со всеми узлами конечных элементов, принадлежащим "кольцам", на которые опираются гайка и головка болта. В действительности же и головка, и гайка изменяют свои формы, что приводит к деформации их плоских опорных граней. К тому же, место соединения гайки с болтом имеет повышенную деформируемость, т. к. их соединение осуществляется через податливую резьбу.

Следующий нелинейный расчет осуществлялся с учетом пластических свойств материала, а также с использованием прокладки из паронита. В первом случае, когда из анализа была исключена прокладка максимальное нормальное напряжение в окрестностях отверстий составило σmax = 107 (МПа) по Мизесу. Предел текучести σy = 551 (МПа). Наибольшие перемещения в центре фланца составили ≈7 (мм). Исходя из значений этих величин можно сделать вывод о том, что болтовое фланцевое соединение выдержит приложенную нагрузку - при гидравлическом испытании установки.

В нелинейном анализе с вводом прокладки в рассчитываемую модель получились следующие результаты: σ = 1268 (МПа), а перемещение составило ≈9 (мм). Столь высокий скачок напряжений возникает вследствие наложения граничных и контактных условий в местах контакта прокладки и фланцев. Но стоит отметить тот факт, что характер распределения нормальных напряжений в окрестностях отверстий идентичен, как и в предыдущем случае.

Следующий расчет производился с учетом "реального" болта и прокладки. Включение болтов в расчетную модель существенно приближает ее к той, которая приведена в нормативных документах. Но здесь также очевидны недостатки - сложность геометрической модели повышается и, соответственно, значительный рост вычислительных ресурсов компьютера.

По итогам расчета максимальное нормальное напряжение составило σy = 1164 (МПа), а наибольшее перемещение: 7,5 (мм). На эпюре деформаций можно увидеть, что площадь контакта фланцев и прокладки уменьшается после затяжки болтов. Граница между контактирующей и свободной поверхностями располагается примерно посередине прокладки. Это дает возможность корректного предположения о том, что действие приложенного внутреннего давления распространяется до середины прокладки.

Большое значение напряжения появляется в результате сингулярности. Сингулярность появляется тогда, когда в процессе дискретизации (процесс разделения модели на конечные элементы) размеры конечных элементов уменьшаются или вовсе стремятся к нулю. Тогда площадь конечно-элементной площадки становится равной нулю. Поскольку приложенное давление остается неизменным, т. е. P=const, то значение напряжения стремится к бесконечности. В рассмотренном случае в точке приложения силы решением являются бесконечно большие напряжения (математически), а в результате решения МКЭ получается конечное решение, которое тем ближе к бесконечности, чем меньше сетка КЭ.

Избежать сингулярности можно если заложить в качестве материала упруго-пластичную модель Прандтля. В этом случае при достижении предела текучести в точке сингулярности напряжения перестанут расти, внутренние усилия будут перераспределяться на соседние узлы между площадками. Данный вариант является наиболее физически близким к реальному.

Последний расчет осуществлялся по комбинированной модели - это оболочки плюс тела аппроксимации. Максимальные нормальные напряжения появились в окрестностях отверстий и составили: σmax=495 (МПа). Перемещения составили 5 мм согласно диаграмме и находятся в центре присоединяемого фланца.

Результаты данного расчета отличаются от нелинейного без учета прокладки. В то время как результаты расчета с "реальным" болтом не существенно отличаются от результатов нелинейного с прокладкой и статического линейного. Появление высоких напряжений связано с возникновением сингулярности. Расхождение в результатах составляет ≈9%.

Одним из факторов, показывающих различие между результатами численного анализа и расчетов, приведенных в нормативных документах, является завышенная жесткость виртуального соединителя - болта. Использование в анализе комбинированной модели позволяет решать сложные задачи при ограниченных возможностях вычислительной техники.

По результатам анализа можно сделать заключение о том, что нормативные методики не вполне адекватно моделируют сложное напряженное состояние в месте приварки фланца к трубе, т. к. расчетная модель основана на значительном числе упрощений. В этих местах появляются напряжения и деформации, поэтому результат расчета при помощи численной модели является более справедливым.

Также стоит отметить, что приведенные в тексте исследования методики в нормативных документах, нельзя полностью применить к модели, исследуемой в данной магистерской работе.

4.4 Методика расчета установки

) Последовательность расчета потока жидкости.

Прежде чем приступать к расчету, необходимо определиться с постановкой задачи и выполнить ряд следующих действий.

. Выполнить настройку программы.

Сюда входят выбор типа задачи, текучей среды, задание условий на стенках сосуда (если таковы имеются).

. Ввести набор исходных данных.

. Запуск расчета и анализ полученных результатов.

) Методика расчета напряженно-деформированного состояния.

Расчет сборочных единиц - это задача, состоящая из двух частей:

.        Создание адекватной модели (геометрической, статической, кинематической;

.        Планирование последовательности действий.

После того как исследуемая модель готова необходимо выполнить следующие действия.

. Назначить всем деталям сборки материал с корректным набором упругих (упруго-пластичных) характеристик.

. Определить кинематические граничные условия, исключающие перемещение сборки как жесткого целого, любой из деталей или совокупности контактирующих деталей без их деформации.

Эти ограничения касаются не только перемещений, но и вращений. Перемещение или вращение деталей можно ограничить наложением кинематических граничных условий на деталь и установлением сопряжений (связей) детали с другими элементами сборки.

.Определить статические граничные условия (приложить нагрузки, действующие на модель).

Заданный комплекс кинематических граничных условий должен обеспечивать деформированное состояние хотя бы одной детали сборки.

. Задать контактные условия между поверхностями соприкасающихся элементов (контактная задача).

Под контактной задачей понимается ситуация, при которой во время нагружения деформируется площадка контакта между элементами. Контактные задачи делятся на учитывающие и не учитывающие трение. Поверхность контакта может либо уменьшаться, либо увеличиваться.

. Наличие конечно-элементной дискретизации (создание сетки конечных элементов).

Если при анализе модели наиболее важными областями концентрации напряжений являются геометрические элементы (внутренние углы, отверстия, проточки и т. д.), а также зоны закреплений, то в сборках к ним почти всегда добавляются места контакта. Вследствие чего стоит уделять особое внимание аппроксимации кинематики, геометрии и подбору приемлемой плотности КЭ сетки в этих местах. Но здесь также стоит учитывать возможное появление сингулярности при выполнении расчета.

. Запуск расчета и анализ полученных результатов.

На этом этапе осуществляется интерпретация результатов применимо к объекту исследования.

5. Оптимизация конструкции установки и сравнение результатов

На производственном предприятии ООО "Александра-Плюс" каждая установка подвергается ряду испытаний с целью проверки работоспособности оборудования в целом и выявить недостатки, допущенные при проектировании. Установки обеззараживания воды серий УОВ-ПВ и УОВ-СВ имеют в своей конструкции ряд незащищенных мест. На этапе конструкторской разработки им следует уделять особой внимание.

Основную нагрузку в процессе эксплуатации воспринимают внутренний фланец и фланец присоединительной крышки. Чтобы обеспечить сохранность кварцевых чехлов и УФ-ламп, а, следовательно, и работоспособность всей установки, на предприятии доваривают дополнительные ребра жесткости или увеличивают толщину фланцев.

Все эти действия ведут не только к увеличению материалоемкости, росту затрат, а также к деформации самих фланцев и нарушению герметичности.

Исходя из всего названного выше, целью оптимизации является уменьшение величины давления, оказываемого на фланцы и стенки емкости.

5.1 Оптимизация конструкции установки и расчет потока жидкости

Улучшение прочностных свойств тех мест, которые воспринимают наибольшие нагрузки, можно добиться двумя способами:

.        Врезка в корпус рабочей емкости дополнительного кожуха, выполняющего роль "воздушного кармана".

Его внедрение позволяет сглаживать пульсации давления в системе.

.        Увеличение толщины фланца и приварка необходимого количества ребер жесткости при необходимости устанавливается на этапе проектирования.

На рисунке 48 представлена измененная модель рабочей емкости. Все исходные данные и граничные условия остаются такими же.

Рисунок 48 - Модель рабочей емкости

В ходе проведения расчета получились следующие результаты.

.        Полное давление на фланцах (рисунок 49, 50, 53).

Рисунок 49 - Распределение давления на торцевом фланце

Рисунок 50 - Диаграмма давления на поверхности внутреннего фланца

Рисунок 51 - Диаграмма давления на поверхности фланца крышки

.        Траектории движения потока показаны на рисунках 52, 53.

Рисунок 53 - Траектория потока и изменение давления в емкости