Технические науки/9. Авиация и космонавтика
Магистрант
Захаров В.О.
Самарский
национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Россия
Расчет НДС трубопровода
хвостового отсека на внутреннее давление и сжатие.
Для расчёта напряженно деформированного состояния (НДС)
было проведено исследование жёсткости и напряжений в трубопроводе. При этом задача решалась методом конечных
элементов, с помощью пакета программ MSC. Nastran [1, 2].
Для получения результатов напряженного состояния
трубопровода можно использовать численные и аналитические методы строительной
механики [3]. Точность этих методов относительная, так как расчётные схемы
более упрощенные и не учитывают многих особенностей конструкции или учитывают
их приближенно, а так же трудоёмки. Поэтому при решении данной задачи
использовался метод конечных элементов.
Описание
конструкции
Трубопровод изготавливается путем сварки отдельных труб
толщиной 1 мм. Патрубки изготавливаются путем изгиба труб толщиной 1.5 мм. Вид трубопровода
приведен на рисунке 1.
В конструкции есть пять креплений. Три крепления
удерживают трубы только в поперечных направлениях, не ограничивая вращательное
и продольное движения. Две опоры блокируют продольное перемещение. Сильфон в
конструкции необходим для того, чтобы позволить трубе расширяться из-за высоких
температур.
Материал трубопровода – 12Х18Н10Т с
пределом прочности σв = 549
МПа, и пределом текучести σт = 196 МПа.
Рисунок 1 – Общий вид трубопровода
Нелинейные
свойства материала задаются функцией напряжений от деформаций (рисунок 2):
Рисунок 2 – Диаграмма растяжения и деформирования материала с линейным
упрочнением
На трубы действует внутреннее давление 1,1 МПа.
Из-за внутреннего давления в сильфоне возникает
продольная сила, действующая на трубопровод F = 691H.
Конечно-элементная модель трубопровода была смоделирована
плоскими элементами, абсолютно жёсткими и элементами DOF Spring.
Плоские элементы предназначены для моделирования пластин,
оболочек и других видов тонкостенных конструкций. Эти элементы учитывают все
внутренние силовые факторы: мембранные, сдвиговые, поперечные и изгибные.
Rigid – элемент
используемый для двух целей: моделирования абсолютно жестких связей между двумя
или несколькими узлами а также для создания связей в виде линейных комбинаций
степеней свободы различных узлов.
DOF Spring – элемент, позволяющий создавать упругие или
демпфирующие связи между двумя узлами конечно-элементной сетки при их смещениях
или поворотах по указанным направлениям. С помощью этого элемента был
смоделирован сильфон жесткостью 10 Н/м. Крепление сильфона к трубам было
осуществлено при помощи элемента Rigid. Три скользящих
крепления на рисунке 1 удерживают трубы только в поперечных направлениях. Два шарнирных
закрепления на краях трубы блокируют поступательные движения.
Результаты
Напряженно-деформированное
состояние КЭМ было посчитано для четырех случаев нагружения: нагружение только от силы,
вызванной сильфоном (далее просто силой), нагружение только от давления в
трубах, нагружение от силы и давления, нагружение от силы и давления,
посчитанное в нелинейной постановке задачи. Напряженное состояние конструкции трубопровода
для последнего случая приведено на рисунках 4, 4а.
Результаты расчетов трубопровода в четырех случаях
нагружения приведены в таблице 1.
Таблица 1 –
Результаты расчетов
|
Параметры/случаи |
Перемещение конца сильфона, мм |
Максимальное напряжение, МПа |
|
|
Расчет с учетом нелинейных
свойств материала. |
Конструкция под действием
давления и силы |
78,78 |
246,04 |
|
Расчет без учета нелинейных
свойств материала |
Конструкция под действием
давления и силы |
9,73 |
642,38 |
|
Конструкция под действием силы |
2,39 |
160,13 |
|
|
Конструкция под действием
давления |
7,34 |
482,26 |
|
Рисунок 3 – Недеформированное (слева) и деформированное (справа) сечения
трубы в месте изгиба трубопровода
Рисунок 4 – Напряженное состояние в трубопроводе при учете нелинейных
свойств материала
Следует
заметить, что при расчете напряжений по линейному закону, труба не
удовлетворяет условиям прочности:
При
учете нелинейных свойств материала, получаемые результаты сильно отличаются от
предыдущих расчетов.
Заключение
Трубопровод был рассчитан на прочность, и он
удовлетворяет условиям прочности, если учитывать пластические свойства
материала. Расчёты также показали, что внутреннее давление вызывает большие
деформации, чем продольная сила, которую вызвал сильфон. Из-за того, что
напряжение в конструкции превышает предел текучести материала, трубопровод подвергается
большим пластическим деформациям.
Литература
1
Шимкович, Д. Г. Расчет конструкций в MSC.visualNastran for Windows. [Текст] / Д.
Г. Шимкович, – М. : ДМК Пресс, 2004. – 704 с.
2 Рычков, С. П. MSC.visualNastran для Windows. (Проектирование и моделирование). [Текст] / С. П. Рычков, – М. : НТ Пресс, 2004. – 552 с.
3
Астахов, М. Ф. Справочная книга по расчету самолета на прочность. [Текст] / М.
Ф. Астахов, А. В. Караваев, С. Е. Макаров, Я. Я. Суздальцев, – М. : ОБОРОНГИЗ,
1954. – 700 с.
4 Лизин,
В. Т. Проектирование тонкостеных конструкций. [Текст] / В. Т. Лизин, В. А.
Пяткин, – М. : Машиностроение, 1976. – 344 с.