| DOI | https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.052 |
| Журнал | Проблемы машиностроения |
| Издатель | Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины |
| ISSN | 2709-2984 (print), 2709-2992 (online) |
| Выпуск | Том 23, № 4, 2020 (декабрь) |
| Страницы | 52–62 |
Авторы
А. О. Костиков, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: kostikov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0001-6076-1942
С. А. Пальков, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199), e-mail: sergpalkov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-2215-0689
Аннотация
Исследованы особенности напряженно-деформированного состояния соединительного узла паропровода турбоустановки на основе использования трехмерной расчетной модели конструкции и контактирующих между собой поверхностей. Рассматриваемый узел включает в себя собственно трубопровод, обжимной кожух, состоящий из двух половин, в одной из которых установлен отвод, и прокладку-уплотнитель. Сформирована математическая модель, учитывающая механические нагрузки, вызванные как внутренним давлением пара на стенку паропровода, так и затяжкой крепежей кожуха. Рассматриваемая модель также включает контактное взаимодействие в узле уплотнения на контактируемой поверхности трубопровода, верхней и нижней половин кожуха. Предложена методика решения данной контактной задачи, основанная на применении метода конечных элементов. В основе конечноэлементной модели лежат двадцатиузловые трехмерные конечные элементы с тремя степенями свободы в каждом узле. Для описания контакта и скольжения между поверхностями использовались восьмиузловые контактные конечные элементы. Учет контактных условий осуществлялся при помощи метода штрафных функций. Проведена верификация модели и программного обеспечения, реализующего предложенную методику путем сравнения результатов расчета и экспериментальных данных, полученных на физической модели трубопровода. Физическая модель была изготовлена из низкомодульного материала с соблюдением полного геометрического подобия и такого же соотношения модулей упругости материалов, как и в реальном объекте. Определено напряженно-деформированное состояние соединительного узла реального трубопровода в трехмерной постановке и выявлены наиболее напряженные зоны в узле, требующие повышенного внимания при проектировании и эксплуатации трубопроводов и их соединений. Разработанный подход и программное обеспечение дают возможность определить контактное давление для фланцев горизонтального разъема высоконапряженных корпусов цилиндров мощных паровых турбин, что позволяет избежать большого числа дорогостоящих экспериментальных исследований.
Ключевые слова: турбоустановка, трубопровод, фланцевое соединение, контактная задача, напряженно-деформированное состояние, контактное давление.
Полный текст: загрузить PDF
Литература
- Калютик А. А., Сергеев В. В. Трубопроводы тепловых электрических станций: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПб политехн. ун-та, 2003. 50 с.
- Пригоровский Н. И., Прейсс А. К. Исследование напряжений и жесткости деталей машин на тензометрических моделях. М.: АН СССР, 1958. 232 с.
- Исследование влияния конструктивных размеров кожуха-тройника на напряженно-деформированное состояние узла уплотнения основного газопровода: отчет о НИР/ СКБ «Турбоатом». Рук. Кабанов А. Ф.; Инв. № Д-4089. Харьков, 2011. 96 с.
- Туренко А. Н., Богомолов В. А., Степченко А. С., Кедровская О. В., Клименко В. И. Компьютерное проектирование и расчет на прочность деталей автомобиля: учеб. пособие. Харьков: Харьк. автодор. ун-т, 2003. 336 с.
- Дерягин А. А. Формообразование и анимация 3D-объектов на основе тетрагональной регулярной сетки. Прикл. информатика. 2013. № 2 (44). С. 94–101.
- Толок В. А., Киричевский В. В., Гоменюк С. И., Гребенюк С. Н., Бувайло Д. П. Метод конечных элементов. Теория, алгоритмы, реализация. Киев: Наук. думка, 2003. 283 с.
- Stefancu A. I., Melenciuc S. C., Budescu M. Penalty based algorithms for frictional contact problems. The Bulletin of the Polytechnic Institute of Jassy. Section: Architecture. Construction. 2011. No. 3. P. 54–58.
- Wriggers P., Vu Van T., Stein E., Finite element formulation of large deformation impact-contact problems with friction. Computers & Structures. 1990. Vol. 37. Iss. 3. P. 319–331. https://doi.org/10.1016/0045-7949(90)90324-U.
- Гузь А. Н., Чернышенко И. С., Чехов В. Н., Чехов В. Н., Шнеренко К. И. Цилиндрические оболочки, ослабленные отверстиями. Киев: Наук. думка, 1974. 272 с.
- Перлин А. А., Шалкин М. К., Хрящев Ю. К. Исследование прочности судовых конструкций на тензометрических моделях. Л.: Судостроение, 1967. 80 с.
- Гудимов М. М., Перов Б. В. Органическое стекло. М: Химия, 1981. 216 c.
- Усовершенствование и внедрение способа определения контактного давления в узле уплотнения основного газопровода по результатам тензометрирования: отчет о НИР/ СКБ «Турбоатом». Рук. Кабанов А. Ф.; Инв. № Д-4473. Харьков, 2013. 50 с.
- Савин Г. Н. Распределение напряжений около отверстий. Киев: Наук. думка, 1968. 891 с.
- Пригоровский Н. И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1982. 248 с.
Поступила в редакцию 28 августа 2020 г.