раздел 2
Теоретическое исследование НДС
стыка с несовершенствами
2.1. Уточненная методика расчета в детерминированной постановке
2.1.1. Предлагаемый подход к расчету монтажного стыка ВЦР
Отсутствие единой инженерной методики учета дополнительных напряжений в
околошовной зоне, а также многочисленные противоречия в существующих методиках
вызвало необходимость разработки новой уточненной методики, которая бы
использовала бы преимущества существующих методик, не повторяя их недостатков.
Для достижения этой цели в качестве базовой была использована методика
А.Д. Колоскова, приведенная в работах [24, 25, 72], так как она позволяла
оценить величину действующих в зоне стыка напряжений, что позволило бы перейти
к коэффициенту условий работы.
Как показали дальнейшие исследования, используемая в методике А.Д. Колоскова
идеализированная диаграмма Прандтля не отвечает требованиям точного расчета,
так как предполагает, что материал работает только до значения предела
текучести, а затем напряжения перестают возрастать за счет деформаций. Но если
это практически без дополнительных оговорок можно принять для малоуглеродистых
сталей с длиной площадки текучести 2,5 %, то для низколегированных эта
предпосылка не верна, так как площадка текучести у них невелика (до 1%), и
затем сталь переходит в зону самоупрочнения, при этом значения модуля
деформации e меняются, и применение формулы А.Д. Колоскова в этом случае
затруднительно. А ведь именно низколегированные стали применяются в резервуарах
больших объемов, для которых эта проблема особенно актуальна.
Уточненная методика предполагает использование ряда условий, более точно
отвечающим действительным условиям работы стали:
а) использование не диаграммы Прандтля, а реальной диаграммы растяжения стали,
конкретно для каждой марки стали.
б) использование методики [79] для нахождения упругопластического момента
полосы:
При этом расчеты с использованием реальной диаграммы работы стали позволяют
получить более точный результат, а при сравнении с результатом, полученным по
формуле А.Д. Колоскова, оказывается, что она дает значительно завышенный
результат, особенно при высоких значениях j.
Тогда формула (1.8.) Приобретет вид:
(2.1.)
Для приближенных расчетов можно использовать методику А.Д. Колоскова в упругой
стадии.
Для всех значений s, полученных с использованием трех методик построены графики
зависимости отношения , которые наглядно демонстрируют закономерности изменения
отношения напряжения в стыке к пределу текучести стали (рис. 2.1.1.)
При рассмотрении результатов расчета по всем трем методикам можно прийти к
выводу, что:
а) Методика А.Д. Колоскова при расчете в упругой стадии дает удовлетворительные
результаты лишь при небольших напряжениях (j<0.1).
б) Методика А.Д. Колоскова в упруго-пластической постановке и предложенная
уточненная методика дают идентичные результаты при уровне напряжений 0< j<0.6
в) При величине уровня действующих кольцевых напряжений j>0.7 более логичные и
приемлемые результаты дает предлагаемая методика
2.2. Исследование НДС зоны стыка численным методом (SCAD)
Разработка и формирование расчетной схемы
Для проведения численных исследований были использованы пять наиболее часто
встречающихся на территории Украины типоразмеров резервуаров, изготавливаемых
методом рулонирования больших объемов (от 10000 до 30000 м3), которые приведены
в таблице 2.2.1.
Основная часть конструкций таких резервуаров, возведенных на территории Украины
изготовлены на Запорожском ЗМК, так как мощности Макеевского ЗМК не позволяют
рулонировать сталь толщиной более 10 мм. Стенки всех приведенных резервуаров
были рассчитаны на прочность согласно требованиям ВБН В 2.2-58.2-94. Толщина и
тип стали для поясов были приняты согласно выполненным расчетам на прочность.
Таблица 2.2.1.
Стандартный ряд типоразмеров резервуаров объемом 10000 – 30000 м3
Объем, м3
10000
20000
10000
20000
30000
Высота стенки, м
11,92
11,92
17,88
17,88
17,88
Диаметр, м
17,1
23,7
14,25
19,95
22,8
Величина стрелки западания, мм
12
16
14
18
22
Количество поясов
12
12
12
Количество узлов
17794
24764
21594
30744
30744
Количество элементов
17360
24160
21240
30240
30240
Размер конечного элемента,
Численные исследования НДС околошовной зоны были проведены с использованием
программно-вычислительного комплекса SCAD 7.29.
Моделировалась стрелка западания, равная толщине нижнего пояса для каждого из
пяти резервуаров (табл. 2.2.1.). Расчетная схема формировалась таким образом,
чтобы размер элемента в зоне несовершенства совпадал с размером основного
элемента стенки, для обеспечения возможности равномерности задания нагрузок и
сходства типов конечных элементов (рис. 2.2.1.). Затем в зоне несовершенства
сетка сгущалась в восемь раз. Для дискретизации использованы элементы
оболочечного типа, прямоугольные. Переход от меньших элементов к большим через
треугольные элементы оболочечного типа (на рис. 2.2.1 условно не показаны).
Количество элементов для каждого резервуаров объемом 10000м3 составило 17000,
для резервуара 30000м3 – 30000 элементов (табл. 2.2.1.). Количество элементов
для каждого резервуара приведено в таблице 2.2.1. Расчет производился от
гидростатической нагрузки, в качестве наливаемой жидкости была принята вода
().
Условия закрепления были приняты следующие: нижняя часть закреплена неподвижно
по всем направлениям, верхняя в плоскостях X и Y.
Для предварительных расчетов выполнялся расчет в линейной постановке и в
нелинейной с помощью простого шагового метода.
Окончательный результат был получен с использованием нелинейного расчета
(шагово-итерационный метод).
Рис. 2.2.1. Расчет
- Київ+380960830922