Новое поколение нефтяных аппаратов 2020

Константин Владимирович Ефанов
Новое поколение нефтяных аппаратов 2020

4. Методики прочностного расчета

В настоящее время в нормах на прочностной расчет применяется расчет аппаратов по допускаемым напряжениям.

Резервуары как и другие строительные металлоконструкции рассчитываются по предельным состояниям.

В нормах на сосуды указано о применении метода конечных элементов и применении строительной механики для резервуаров.

4.1. Расчет по допускаемым напряжениям

Допускаемым напряжением считается то, при котором обеспечивается запас от опасного напряженного состояния и записывается по формуле:


Здесь σ0 – напряжение, соответствующее опасному состоянию.

σ0 = σТ – для пластичного материала является пределом текучести,

σ0 = σВ – для хрупкого материала является пределом прочности при развитии трещины,

σ0 = σК – для материала, подвергающегося знакопеременной нагрузке пределу выносливости, при котором появляется усталостная трещина.

Соответственно, отличаются коэффициенты запаса:



Предел прочности связан с пределами текучести и выносливости, поэтому через его коэффициент можно выразить остальные напряжения. Допускаемые напряжения [σ] на растяжение и сжатие, одинаковые для пластичных материалов и различаются для хрупких материалов.

Перечисленные напряжения в условиях линейного растяжения находятся на лабораторных стендах. В условиях трехмерного напряженного состояния используют теоретический подход для определения опасного состояния материала так как затруднительно реализовать опыты по испытанию образца по трем осям [19].

Для трехмерного напряженного состояния составляется условие прочности с использованием коэффициента запаса k для линейного растяжения. Для этого используют гипотезы, связывающие прочность с главными напряжениями и путем разрушения материала.

4.2. Расчет по предельным состояниям

Предельным состоянием является состояние, в котором металлоконструкция в условиях максимальной нагрузки получает недопустимые деформации или разрушается. Расчет состоит в подтверждении работоспособности металлоконструкции в условиях максимальных нагрузок. Результаты расчета дают менее металлоемкую конструкцию по сравнению с расчетом по методу допускаемых напряжений.

Предельные состояния разделяются на два типа:

– первое предельное состояние, в котором работоспособность металлоконструкции определяется по несущей способности

– второе предельное состояние, в котором работоспособность строительной конструкции определяется по возможности эксплуатации.

По первой группе должно выполняться условие:

Fр < Fн

где:

Fр – расчетное усилие,

Fн – наименьшее усилие для обеспечения несущей способности.

Fн является функцией геометрических параметров сечения, прочности материала конструкции.

По второй группе выполняются расчеты раскрытия трещин в материале, чрезмерных деформаций по перемещениям и прогибам.

4.3. Новые методики прочностного расчета

Аппараты, состоящие, из листовых или листовых и стержневых металлоконструкций должны рассчитываться методом конечных элементов в специальных программных пакетах.

Расчет конструкций по методу конечных элементов известен довольно давно, еще в работах Тимошенко [20]. Но применяться начал с появлением мощных компьютеров.

За последние десятилетия появились программы плоского черчения AutoCAD, Компас, трехмерного твердотельного моделирования SolidWorks, Inventor, CATIA, Компас 3D, NX.

Современные программы автоматизированного расчета по нормативной методике имеют относительно современный интерфейс, в котором первоначально строится 3D модель, а затем программа рассчитывает её по нормам. Для отдельных узлов применяются программы или модули расчета методом конечных элементов.

Сейчас вся конструкция аппарата может быть рассчитана методом конечных элементов.

Нормативная методика, основанная на теории тонких оболочек для аппаратов до 21 МПа потеряла свое значение.

Метод конечных элементов позволяет рассчитывать конструкции с использованием различных теорий и полностью анализируя геометрию аппарата.

Программы для расчета методом конечных элементов и по нормативной методике имеют документ на право применения для нефтяного и химического машиностроения.

В современном машиностроении появились новые сведения по сравнению с периодом Советского Союза. Например, процесс сквозного проектирования изделий, модель управления PLM. В строительстве для металлоконструкций это BIM технология.

Из программ твердотельного моделирования конструкцию можно выгрузить в программу расчета методом конечных элементов.

Методом конечных элементов рассчитывается весь перечень проблем, решаемых при проектировании аппаратов: гидродинамика, прочность, жесткость, циклика и др.

Подходы по нормативной методике основаны на использовании устаревшего подхода с советского времени.

Нужно взять все лучшее из подхода по нормам и дополнить современным подходом, то есть выполнить современное прочтение процессов проектирования аппаратов и пересмотр.

4.4. Современные вопросы проектирования аппаратов и резервуаров

Применяются программы компьютерного моделирования, в которых создаются цифровые двойники проектируемых объектов и на них изучается поведение реальных конструкций.

Аппараты и резервуары проектируются с использованием перечисленных выше программ. В отдельных компаниях разработка плоских двухмерных чертежей уже исключена, в сборочные цеха передается трехмерная модель, по которой изготавливается аппарат отдельно или в блочном исполнении. Возникает вопрос относительно применения такого подхода для деталей с высокой долей механической обработки и последовательными операциями механической обработки, сварки и термической обработки.

Прочностной расчет аппаратов должен выполняться методом конечных элементов.

Квалификация конструкторов должны быть высокой для владения теоретическими знаниями по проектированию сосудов и резервуаров, теории прочности, материаловедения и знаниями в области компьютерных программ. Знание одних только средств проектирования без теории конструирования не позволит проектировать сложное оборудование.

Главный конструктор должен понимать уровень сложности задачи по проектированию и в соответствии с квалификацией конструкторов ставить адекватные сроки на выполнение задач, а сами задачи должны быть сформулированы предельно корректно.

Необходимо соблюдение принципа, состоящего в том, что сначала думаем, потом проектируем. То есть необходимо продумать теоретическое основание конструкции и только затем использовать отработанные алгоритмы проектирования. При выполнении проекта должны быть реализованы все необходимые последовательные шаги на пути от исходных данных к готовой документации.

Рейтинг@Mail.ru