Расчет нефтяных аппаратов методом конечных элементов

Пример расчета конструкции нефтяного аппарата целиком – см. [24].

Пример расчета конструкции нефтяного аппарата с расчленением – см. [25].

Приведем смысл расчленения при расчете МКЭ согласно работе [26,с.249] (см. ниже теорию МКЭ), в которой показан пример расчленения конструкции пассажирского самолета. Расчленение выполняется с целью конденсации большого матричного уравнения до приемлемых для расчета значений. Матричные уравнения конечных элементов объединяются в матричные уравнения для секций (элементов), на которые делится конструкция. Матричные секционные уравнения конденсируются в уравнение, содержащее только внутренние узловые значения. Эти уравнения объединяются в меньшего размера матричное уравнение, из которого находятся для секций узловые векторы, по которым задаются граничные условия каждой секции. Затем решаются неконденсированные матричные уравнения для внутренних узловых значений. Расчленение позволяет вносить изменения в конструкции каждой секции (каждого элемента) без пересчета граничных условий по данным [26,с.250].

__

Отдельный интерес представляет конструкция оболочки корпуса тяжелого нефтяного аппарата колонного типа, усиленная ребрами жесткости, расположенными по решетчатой схеме, как показано в работе К.В. Ефанова [27].

Пример расчета такой конструкции с решетчатыми ребрами методом конечных элементов показан в работе [28] на примере оболочек корпусов ракет-носителей, размеры которых сопоставимы с размерами нефтяных аппаратов колонного типа. В этой работе отмечается, что выбор силовой схемы определяет характеристики проектируемой конструкции. Необходимо скомпоновать конструкцию с оптимальными путями передачи усилий по элементами конструкции, толщинами стенок.

Данные для составления силовой схемы можно использовать из результатов, приведенных для сосудов в работах по теории тонких оболочек, например в работе В.В. Новожилова [29], работе [30]. В этих работах приведены результаты сопряжения элементов сосудов (обечаек, днищ), дающие минимальные значения краевых нагрузок в месте стыка. Также в работах приведены геометрические характеристики сечений днищ с минимальными напряжениями, приведены эпюры напряжений. В работе Скопинского [31] приведены способы укрепления отверстий врезок штуцеров, по которым можно выбрать оптимальный вариант. Конечно, эпюры напряжений в работах по теории оболочек не имеют такой информативности как цветная диаграмма по результатам расчета МКЭ.

Основное требование результатов теории тонких оболочек состоит в плавности геометрии оболочек. При этом конструкция должна по максимуму состоять из стандартизованных элементов, перечисленных в стандартах, например, на опоры колонных аппаратов. Отдельной проблемой является расчет распорных элементов жесткости для юбочных опор по МКЭ, здесь вводятся индивидуальные конструктивные элементы.

В работе [28] на примере оболочек ракет-носителей показаны рисунки с построенной расчетной сеткой, для конического днища показаны рисунки цветных диаграмм напряжений и диаграмм колебаний. В случае расчета сосудов и аппаратов, данные с таких диаграмм сравниваются с нормативными значениями и делается вывод о выполнении условий прочности и жесткости.

__

Можно выделить следующую последовательность этапов выполнения расчетов корпусов аппаратов в программном пакете МКЭ:

– выполняется проектировочный расчет на статические и динамические нагрузки. К динамическим нагрузкам относятся расчет ветровых и сейсмических колебаний.

Проектировочный расчет состоит приближенно из двух этапов:

– выполняется построение 3D-модели, на основании которой строится конечно-элементная модель с толщинами стенок по аналогичному спроектированному аппарату или задается на основе знаний и опыта инженера-расчетчика,

– выполняется расчет в первой итерации на заданные условия с определением напряжений, по результатом которого могут быть внесены корректировки в модель (а затем выполняется расчет во второй итерации),

– строится окончательный скорректированный вариант.

Проверочный расчет МКЭ выполняют для скорректированного варианта конструкции аппарата.

После выполнения проверочного расчета оформляется пояснительная записка с результатами расчета и после этого изменения в конструкцию не вносятся.

По результатам расчета МКЭ корректируется 3D-модель аппарата и выполняется разработка и оформление проектной и рабочей конструкторской документации.

В процессе разработки рабочей конструкторской документации могут вноситься небольшие корректировки, связанные с отработкой технологичности конструкции аппарата.

__

4 Сравнение теоретических оснований оценки прочности по нормам и МКЭ

Для обоснования применения МКЭ и его приоритета над нормативными методиками расчета необходимо рассмотреть вопросы прочности и оценки напряженного состояния стенки сосуда.