Расчет фланцевых соединений

Расчет фланцевых соединений методом конечных элементов

Для расчета оболочек численным методом конечных элементов (МКЭ) в программных пакетах, таких как ANSYS, могут использоваться конечные элементы (КЭ) плоские или трехмерные. В литературе приводятся сравнение и поиск лучшего решения. Плоские элементы построены на теории оболочек, например, типа Кирхгофа-Лява или Тимошенко. Пространственные элементы построены на решении задачи теории упругости. Теория тонких оболочек получается из теории упругости введение в теорию упругости некоторых упрощений. Более подробно смотрите в работе [2].

Примем утверждение: для расчета тонких оболочек возможно применять плоские КЭ, для оболочек толстых и средней толщины необходимо применять трехмерные конечные элементы.

Сделам вывод: для расчета фланцев МКЭ необходимо применять трехмерные конечные элементы с учетом переходной геометрии поверхности фланца.

По МКЭ фланец рассчитывается как одно твердое тело, тогда как по известным методам Уотреса или Тимошенко фланец разделяется в расчетной модели на части. Метод МКЭ имеет более точную расчетную пространственную модель и в этом одного из его преимуществ в точности перед существующими методами. Теория расчета МКЭ сосудов и аппаратов, например, в работе [3], математическое описание метода рассмотрено в ряде других работ.

Последовательность выполнения расчета в программе МКЭ в целом подробно представлена в работе [4].

Приведем выполнение отдельных этапов расчета МКЭ:

– в расчет экспортируется геометрическая твердотельная модель из программ твердотельного моделирования (или строится средствами ANSYS),

– задаются материала и условия расчета,

– выполняется построение расчетной сетки по твердотельной модели, сетка при необходимости корректируется вручную,

– выполняется решение уравнений теории упругости в узлах сетки (в КЭ),

– результаты решения КЭ суммируются для всей сетки КЭ,

– получают результаты в виде цветных диаграмм с наличием цветовой шкалы сравнения,

– на основании диаграммы делают заключении о работоспособности фланцевого соединения.

Среда Workbench позволяет выполнять междисциплинарные расчеты.

Каждый расчет состоит из последовательно выполняемых модулей, связанных в соответствии с приведенными выше этапами расчета.

При междисциплинарном расчете, например, расчете фланца от механических и тепловых нагрузок, на поле Workbench помещаются две структуры расчета и связываются между собой их соответствующие модули. Один из видов расчета является исходными данными для начала выполнения другого расчета.

Расчет по методу Уотерса

Расчет по методу Уотреса заложен в методике ASME и по-видимому получил самое широкое распространение среди методов расчета фланцев.

Метод Уотреса изложен в работе [5], к которой рекомендуется обратиться для подробного ознакомления.

Расчет по методу Тимошенко.

Расчет по Тимошенко является близким к расчету по методу Уотреса и подробно описан в работе [6].

Расчет по методу Михайловского

Михайловский Е.А. являлся отечественным специалистом по теории оболочек, является автором расчета фланцев байонетного затвора, одним из авторов стандарта на расчет автоклавов.

Метод Михайловского приведен в работе [7].

По Михайловскому фланец рассматривается как патрубок с укрепленным краем. По-видимому такое рассмотрение аналогично рассмотрению в теории ребристых оболочек, применяемой, например, в расчете обечаек сосудов с укрепляющими кольцами.

Модель Михайловского более просто описывает геометрическую модель фланца и является более наглядной, чем по методам Уотреса и Тимошенко. Но, безусловно, уступает твердотельной модели в расчете МКЭ.

Работы по сравнению методов расчета фланцев.

Сравнение методов расчета фланцев проводилось в работах [1], [8], [9], сравнение расчетных моделей в работе [10].

Вопросы расчета байонетных затворов рассмотрены в работе [11].

Расчет фланцев хомутовых затворов для газовой промышленности приведен в работах [12], [13].

Расчет фланцевых соединений по нормативной методике

Вопрос разработки отечественных нормативных документов на расчет сосудов и аппаратов под давлением приведен в работе [3].

Расчеты фланцев и фланцевых соединений по нормативной методике выполняются автоматизированным способом в программе автоматизации расчетов, например, ПАССАТ. В этих программах конструктором вводятся геометрические параметры и материалы, затем программа выдает заключение о выполнении условий прочности, заложенным в стандартах. По результатам расчета программа формирует документ проверочного расчета в формате MS Word. Отдельные узлы врезок штуцеров рассчитываются МКЭ в программах, таких как Штуцер-МКЭ.

Отдельным вопросом является закладывание в расчет допускаемых усилий и изгибающих моментов. Как правило, их величины рассчитаны по формулам и используются в табличной форме.

Заключение