WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Еловенко Денис Александрович

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТЕНОК АВТОКЛАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск – 2012 Диссертационная работа выполнена на кафедре «Информатика и кибернетика» ФГБОУ ВПО «Байкальский государственный университет экономики и права»

Научный консультант: Репецкий Олег Владимирович, доктор технических наук, профессор, проректор по международной деятельности и научной работе НОУ ВПО «Восточно-Сибирский институт экономики и права»

Официальные оппоненты: Крюков Андрей Васильевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машиностроительные технологии и материалы» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная техническая академия»

Защита состоится 16 октября 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.070.07 при ФГБОУ ВПО «Байкальский государственный университет экономики и права» по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, д. 24, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Байкальский государственный университет экономики и права» по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 11, БГУЭП, корпус 2, аудитория 101.

Объявление о защите и автореферат размещены 13 сентября 2012 г. на сайте ВАК Министерство образования и науки РФ (http://vak.ed.gov.ru) и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Байкальский государственный университет экономики и права» (www.isea.ru).

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 11, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.070.07.

Автореферат разослан сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Т.И. Ведерникова кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время на химических производствах находятся в эксплуатации большое число автоклавов, работа которых включает высокое давление и температуру, что является необходимым технологическим условием обеспечения требуемых параметров рабочей среды. Основным конструктивным элементом автоклавов высокого давления являются цилиндрические стенки, которые могут иметь монолитное или многослойное исполнение.

Разработка и исследование новых конструкций цилиндрических стенок для создания более совершенных автоклавов высокого давления является актуальной научнотехнической проблемой. Ее решение позволит создавать и использовать новое промышленное оборудование, а именно, автоклавы высокого давления, которые поднимут на новый уровень качество продукции химических производств, получаемой в этом оборудовании.

Вопросами математического моделирования и расчетов для анализа и оценки прочности цилиндрических оболочек и сосудов с многослойными стенками занимались М.Б. Блох, В.В. Болотин, А.В. Гадолин, Н.Ф. Дроздов, В.С. Никишин, Ю.Н. Новичков, О.В. Репецкий, Г.С. Шапиро и др. Контактная податливость и контактная теплопроводность многослойных конструкций впервые была учтена в работах В.Н. Жукова, Л.А. Ильина, Н.А. Лобкова, П.Г. Пимштейна, математическое обоснование методов расчета было предложено в работах Л.Б.Цвика и др. Исследованием и конструированием занимались в США T.M. Jasper, в СССР М.И. Бейлин и др.

В работе использованы результаты экспериментов, полученные в ОАО «ИркутскНИИхиммаш» под руководством П.Г. Пимштейна и его научно-технические консультации.

Целью диссертационной работы является разработка расчетных методик, алгоритмов и программного обеспечения для исследования напряженного состояния, оценки прочности и работоспособности новых конструкций цилиндрических стенок со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала в автоклавах высокого давления.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

- численное исследование процессов контактного взаимодействия дистанционных планок нагревательных элементов с сопряженными компонентами стенки и оценка их напряженного состояния;

- разработка численных методов для расчета тепловых полей и напряженнодеформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев;

- разработка алгоритмов и комплекса проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенке автоклава;

- проведение экспериментальных исследований упругих теплоизоляционных материалов на простых моделях; математическое обоснование эффективности применения теплоизоляционных материалов на основе исследований их теплофизических характеристик и опытной модели оболочки, а также аналитическая интерпретация результатов этих экспериментов;

- разработка аналитической методики для определения наиболее благоприятных параметров новой конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и теплоизолирующим слоем с учетом обеспечения требуемых параметров ее работоспособности.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы и алгоритмы теории упругости, теплопроводности, механики деформируемого твердого тела и др. При экспериментальных исследованиях применялись специальные установки и сборные опытные конструкции. Численные исследования основаны на применении метода конечных элементов (МКЭ) и развитых методах численного анализа для исследуемой проблемы.

Достоверность полученных численных и аналитических результатов исследований подтверждена сравнением с аналогичными исследованиями других авторов, а также с результатами собственных экспериментов.

Научную новизну работы составляют следующие положения, выносимые на защиту:

1) эффективная методика численного исследования контактного взаимодействия дистанционных планок и сопряженных элементов стенки автоклава для оценки их прочностных характеристик и оптимизации геометрических параметров;

2) численный метод, позволяющий вести расчет тепловых полей и напряженнодеформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев;

3) алгоритм, и комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенки автоклава;

4) аналитический метод расчета, интерпретирующий результаты экспериментальных исследований теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов на простых моделях, а также в модели сборной цилиндрической стенки со встроенной теплоизоляцией;

5) метод определения наиболее благоприятных параметров работоспособной конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизолирующего материала на основе математического моделирования и полученных аналитических решений.

Практическая значимость работы.

1. Предложен численный метод для расчета тепловых полей и напряженнодеформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев.

2. Разработан комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенки автоклава позволяет проводить анализ данного конструктивного элемента автоклавов на стадиях разработки и проектирования.

3. Выявлены зависимости напряженного состояния конструктивных элементов стенки автоклава, сопряженных с дистанционными планками нагревательных элементов, на основе которых сформирован комплекс рекомендаций по оптимизации геометрических параметров стенки.

4. На основе экспериментальных исследований получены зависимости упругой деформации теплоизоляционных материалов от давления и определены их модули упругости. На основе исследований теплофизических свойств этих материалов и получены аналитические решения, с помощью которых обоснована эффективность применения встроенной теплоизоляции.

5. Разработан аналитический метод определения наиболее благоприятных параметров работоспособной конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизолирующего материала на основе математического моделирования.

Результаты, полученные в работе, использовались при выполнении НИР и разработке конструкторской документации эскизных проектов в Иркутском научноисследовательском и конструкторском институте химического и нефтяного машино строения ОАО «ИркутскНИИхиммаш», г. Иркутск, ОАО Южноуральский завод «Кристалл», г. Южноуральск, а также в учебном процессе кафедры «Мехатроника» Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета и кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Иркутского государственного университета путей сообщения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах кафедры «Информатики и кибернетики» ФГБОУ ВПО Байкальского государственного университета экономики и права; кафедры «Мехатроника» ФГБОУ ВПО Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета; межвузовской научно-практической конференции в Иркутском государственном университете путей сообщения (секция «Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем»); ОАО Южноуральский завод «Кристалл» г. Южноуральск, и в ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Автор диссертационной работы удостоен стипендии Правительства Российской Федерации на 2011/2012 учебный год.

Сведения о публикациях. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 9 публикациях из списка ВАК и одном свидетельстве о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения, списка литературы из 120 наименований. Общий объем диссертации составляет 217 страницы, включая 85 рисунков, 12 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены объект и предмет исследования, сформулированы цели, задачи и методы их решения. Также приведены выносимые на защиту положения и краткое содержание работы по главам.

В первой главе сделан анализ основных этапов создания и развития сосудов и автоклавов высокого давления с многослойными цилиндрическими стенками в нашей стране и за ее пределами. Приводятся известные принципы и методы исследования, математического моделирования и оценки прочности многослойных цилиндрических конструкций такого типа.

Из анализа литературных источников следует, что дальнейшее увеличение единичной мощности и надежности современных автоклавов высокого давления невозможно без разработки комплексной методики исследования и внедрения новых конструкций цилиндрических стенок, способных работать при значительно более высоких технологических параметрах температуры и давления.

Во второй главе описан эксперимент по исследованию лабораторной конструкции автоклава высокого давления со встроенными в корпус нагревательными элементами (рис. 1).

На основании экспе риментальных исслеРис. 1. Общий вид экспериментальной модели автоклава дований напряженнодеформированного состояния при упругом нагружении внутренним давлением, а также исследовании распределения температурных полей показана работоспособность лабораторной модели автоклава. Предложены численные методы для расчета тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной несущей части стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев. Этот метод реализует поочередное решение статической и тепловой задач контакта концентрически расположенных слоев в многослойной цилиндрической станке автоклава.

Двухшаговый итерационный процесс решения статической задачи, в котором на каждой итерации поочередно на радиусах контактирующих поверхностей определяются перемещение u и давление p, имеет вид u(2m+1) = u(2m) (p(2m) )-r (p(2m) )+ r + (1-) u(2m), m 0, (1) ri ri+ ri i ri i p(2m) = p(2m-1) (u(2m-1) )+ p(2m-1), m 1. (2) ri ri+ ri где r – величина сближения контактирующих слоев на радиусе ri; – величина радиi ального натяга.

В выражении (1) невязка сопряжения перемещений на контактном радиусе определяется как u = u - u, (3) r- r+ а в (2) невязка контактных давлений имеет вид p = p - p, (4) r- r+ где r+ и r– означают, что на контактном радиусе ri рассматриваются величины, относящиеся к внутреннему (j) и наружному слою (j+1) (рис. 2а) соответственно.

Двухшаговый итерационный процесс решения тепловой задачи, в котором на каждой итерации поочередно на радиусах контактирующих поверхностей определяются линейный теплоа) б) вой поток через стенРис. 2. Расчетная схема для некоторой пары слоев многослойной ку ql и температура T, стенки, нагруженной постоянным имеет вид давлением – а, и тепловым полем – б.

ql (2m+1) = ql (2m) (Tk (2m) )+ (1-) ql (2m), m 0, (5) j+1+ ri (2m-1) Tk (2m) = Tk (2m-1) (ql (2m-1))+ T + Tk (2m-1), m 1 (6) ri ri+ где T – перепад температуры по контакту между базовыми поверхностями.

В выражении (5) невязка линейного теплового потока на контактном радиусе определяется как ql = ql j+1- - ql j+, (7) а в (6) невязка температуры имеет вид Tk = Tk r- -Tk r+, (8) где j+ и j+1– означают, что в области контакта двух слоев (рис. 2б) рассматриваются величины, относящиеся к внутреннему (j) и наружному слою (j+1) соответственно.

Также в этой главе описан одношаговый итерационный процесс решения статической задачи со спуском по перемещениям u u(m) (p(m))- u(m) (p(m))= u(m), m 0 (9) ri+ rip(m+1) = p(m) + u(m), m 0, (10) и по контактным давлениям p p(m) (u(m))- p(m) (u(m))= p(m), m 0, (11) ri+ riu(m+1) = u(m) + r (p(m) )- r + p(m), m 0, (12) ri i i и аналогичный процесс решения тепловой задачи со спуском по температурам Т Tk (m) (ql (m))-Tk (m) (ql (m))= Tk (m), m 0, (13) r1- r1+ ql (m+1) = ql (m) + Tk (m), m 0, (14) и по линейным тепловым потокам ql ql (m) (Tk (m))- ql (m) (Tk (m))= ql (m), m 0, (15) j- j+1+ Tk (m+1) = Tk (m) + Rk ql (m) + ql (m), m 0, (16) где Rk – термическое сопротивление.

Последняя часть второй главы содержит описание разработанных алгоритма и программы для комплексной оценки прочности цилиндрической стенки автоклава высокого давления со встроенными нагревательными элементами.

В третьей главе проведен анализ контактного взаимодействия дистанционных планок нагревательных элементов и сопряженных с ними конструктивных элементов сборной цилиндрической стенки автоклава методом конечных элементов на базе программного комплекса MSC.Marc Mentat 2010 (лицензия № RE00853ISR 17.10.11. IrGUPS.), который был предоставлен учебной лабораторией ИрГУПСа. Для задачи контактного взаимодействия дистанционных планок со стенкой, расположенной за нагревательными элементами (в направлении увеличения радиуса) рассмотрена плоская задача сопряжения типа штамп – упругая полуплоскость (рис. 3а). Задача решена для вариантов с жестким и упругим штампом, а также для случая, когда воздействие штампа на сопряженный элемент можно приближенно заменить действием постоянного давления, эквивалентного по своей величине контактному. Аналогичный анализ проведен и для опытной конструкции (рис. 1), с монолитной несущей стенкой (рис. 3б).

а) б) Рис. 3. Приближенная расчетная схема взаимодействия планок с цилиндрической стенкой автоклава – а, и реальная КЭМ – б Для определения толщины стенки за нагревателями, при которой будет достигнуто равномерное распределение радиальных напряжений на определенном радиусе (внутренний радиус теплоизоляции), введено понятие относительной неравномерности этих напряжений при y/b = const, величина которого определяется по формуле pср = 100%, (17) pср где рср – абсолютная неравномерность средРис. 4. Относительная неравномерность распределения него значения напряжерадиальных напряжений в стенке автоклава высокого давлений, имеет вид n ния pi - pср i=pср =, (18) n а среднее значение напряжений на расстоянии 2a+b, определяется как n pi i=pср =. (19) n Здесь n – число контрольных точек по оси x с постоянным шагом в, которых фиксируются значения напряжений на КЭМ.

Таким образом, получены графические зависимости (рис. 4) для вариантов жестких планок – 1, двух и четырех упругих – 2 и 3 соответственно, постоянного давления – 4, согласно схеме (рис. 3а), а также для опытной конструкции – 5 (рис. 3б).

Третья глава также содержит исследование контактного взаимодействия дистанционных планок нагревательных элементов с внутренней стенкой автоклава, которая образует рабочее пространство и определение оптимальной формы планок. Было доказано, что с увеличением расстояния между дистанционными планками, возрастание эквивалентных напряжений в зоне их максимального значения, стремится к линейному закону. Следовательно, наилучшим решением стало размещение только одного нагревательного элемента между дистанционными планками. Появление локальных всплесков напряжений, которые имеют место на границе контактной и свободной зоны наружной поверхности стенки (рис. 5), вызвано прямоугольной формой поперечного сечения планок. Решением этой проблемы стало применение нового профиля поперечного сечения планок, который имеет обратный радиус закругления свободных поверхностей планки с одновременным увеличением их контактных поверхностей. Результаты исследований показывали, что величина радиуса 0,4l (рис. 6), позволяет снизить скачок радиальных напряжений на 33%, кольце вых – на 13,7%, на наружной поверхности по сравнению с исходными величинами (рис.

5), а график эквивалентных напряжений становится существенно более гладким.

а) б) Рис. 5. Расчетная схема и график напряжений, возникающих на наружной поверхности центральной стенки автоклава в прямоугольной постановке а) б) Рис. 6. Расчетная схема и график напряжений, возникающих на наружной поверхности центральной стенки автоклава в прямоугольной постановке В четвертой главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований неметаллических теплоизоляционных материалов. В главе исследованы характеристики упругого деформирования шамотного порошка, асбеста, микросфер из шлака и корундового порошка. По кривым упругого деформирования определены модули упругости теплоизоляционных материалов.

Также построена математическая модель тепловых процессов при экспериментальном исследовании теплофизических свойств теплоизоляционных материалов. На лабораторной установке, приспособление которой показано на рис. 7 по специальной методике было испытано три образца из щамотного порошка с начальной толщиной 4,2; 5,2 и 4,7 мм;

три образца из асбеста с начальной толщиной 5, 10 и 3 мм; и три образца из корундового порошка толщиной 3,9; 4,5 и 3,7 мм.

Учитывая, что величины термического сопротивления и теплового потока функционально связанные, тепловой поток, направленный вдоль основного стержня, считается постоянным и определяется моделью вида 1 1(T1 - T6 ) 2 (T8 - T12 ) ql = +, (20) 2 l1 - l6 l8 - l12 где 1 и 2 – коэффициенты теплопроводности материала верхнего и нижнего цилиндров при соответствующей температуре; l1, l6 – расстояния от нижнего торца верхнего цилиндра до его соответствующих термопар; l8, l12 – расстояния от верхнего торца нижнего цилиндра до его соответствующих термопар; Т1, Т6, Т8, Т12 – показания соответствующих термопар.

Коэффициент теплопроводности исследуемого материала находится как qlM M = (21) l4 - l15, где М = Sиз – толщина слоя исследуемого материала.

Тепловой поток выражается через термическое сопротивление T1 -Tql = (22) Рис. 7. Схема приспособ- l1 - l6 l8 - l12 Sиз, + + ления для исследования 1 2 из теплопроводности теплоSиз изоляционного материала где из – термическое сопротивление теплоизоляции, которое имеет вид M T1 - T12 T1 - T6 T8 - TRиз = = - (23) M ql 1 2.

Кривые распределения тепловых полей по длине составного стержня (рис. 7) приведены на графике для образца толщиной 5,2 мм из шамотного порошка (рис. 8а), а на рис. 8б – этого же образца, после десятикратного нагружения по схеме 0-48-0 кН. На рис. 8в и рис. 8г приведены аналогичные графики для образца из асбеста толщиной 5 мм, а на рис.

8д и рис. 8е – для корундового порошка толщиной 4,5 мм.

На рис.9а показаны зависимости коэффициента теплопроводности от давления для этих образцов, а на рис. 9б приведены аналогичные кривые после десятикратного нагружения теплоизоляционных материалов по схеме 0-38-0 МПа.

Анализ результатов показывает, что теплопроводность электрокорундового порошка с ростом давления значительно увеличивается. Давление мало влияет на теплопроводность асбеста и шамотного порошка. При этом коэффициенты теплопроводности шамотного порошка и асбеста близки по величине и в 3-4 раза меньше, чем у электрокорундового порошка.

а) б) в) г) д) е) Рис. 8. Распределение температурных полей по длине составного стержня l при разных значениях силы, воздействующей на теплоизоляционный материал а) б) Рис. 9. Зависимость теплопроводности теплоизоляционных материалов от давления В завершении четвертой главы на основе данных натурного исследования экспериментальной оболочки (царги) (рис. 10), разработан аналитический метод расчета тепловых полей и основной характеристики теплоизоляционного материала конструкции, которая состоит из обечайки 1, дистанционных планок 2, между которыми установлены теплоэлектронагревателей 7, кожуха 3, теплоизоляционного материала 4, несущей части корпуса состоящей из разрезных конических колец 5 с углом 15° и монолитных колец 6.

Модель стационарного теплового потока через составную цилиндрическую стенку имеет вид 2Т ql =. (24) н n ln rнi + 1 ln rиз в ст i=1 rвi из rиз Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя определяется как н rиз ln в rиз из = n. (25) 2T ln rнi / ст ql i=1 rвi Температуры на внутренних поверхностях цилиндрических слоев оболочки (рис. 10) с наружной теплоизоляцией определяют по формуле k- ql ln ri+1 ri i=k i Tвп = Tвп, (26) 2 а без наружной теплоизоляции n 1 ri+1 ql ln + i ri rn i=k k Tвп = Tср +. (27) Рис. 10. Схема экспериментальной цар2 ги диаметром 500 мм. На виде сверху Главной целью исследования было опредепоказана схема расположения термоление основной характеристики теплоизоляципар: (1); (2) – термопары, расположенонного материала – коэффициента теплопроные на внутренней поверхности ценводности, который оказался равен 0,1153тральной обечайки; (4); (5) – термопаВт/м 0С для слоя из асбеста, толщиной 9,4 мм и ры, расположенные на тепловой изоля0,05792 Вт/м 0С для слоя из шамотного порошции; (6); (7) – термопары, заключенные ка толщиной 7 мм, а для этого же материала в разрезные кольца и расположенные без наружной теплоизоляции – 0,09064 Вт/м рядом с термопарами (4), (5); (8); (9) – С. На рис. 11 сравниваются аналитические и термопары, расположенные на наружэкспериментальные кривые распределения теной поверхности оболочки.

плового поля по толщине стенки за нагревательными элементами. Результаты проведенных расчетно-экспериментальных исследований доказали эффективность использования теплоизоляционного материала для защиты несущей части цилиндрических стенок от нежелательного перегрева.

а) б) в) Рис. 11. Распределение тепловых полей в стенке оболочки с теплоизолирующим слоем (а – асбест, б – шамотный порошок, в – шамотный порошок без наружной теплоизоляции царги) В пятой главе предложена методика анализа для определения оптимальных параметров работоспособной конструкции цилиндрической стенки автоклава со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала. В ней использовано условие равенства радиальных перемещений сопряженных компонентов конструкции (рис. 12), которое имеет вид 2 2 2 2 (1- )(r12 + r02 ) (1- )(r22 + r12 ) + P2 (1- )2 1 (1- )2 -P0 P1( + ) 1 - - - = E1 E2 E1(r12 - r02 ) E2(r22 - r12) E2( -1) E1(12 -1) 2 2 2 2 2 (1- )(r22 + r12 ) (1- )(r32 + r22) + P3 (1- )23 (1- )2 1 P P2 - - = E2 EE2(2 -1) + ( + ) - E2(r22 - r12) E3(r32 - r22) E3(3 -1).(28) 2 2 2 (1- )(r32 + r22) (1- )(r42 + r32) + P4 (1- )24 (1- )2 P 2 P3 2 - - = 2 E3 EE3(3 -1) + ( + ) - E3(r32 - r22) E4(r42 - r32 ) E4(4 -1) 2 2 (1- )(r42 + r32 ) (1- )(r52 + r42 ) = (1- )2 1 P3 P4 - E4 E E4(4 -1) + ( + ) - E4(r42 - r32) E5(r52 - r42) В этой системе модуль упругости теплоизоляционного материала Е4, принимается на основании экспериментальных данных полученных в четвертой главе работы, а затем определяется модуль упругости дистанционных планок Е2, по методике, предложенной во второй главе с помощью интегрального условия равновесия r1 r3 r1 3 (29) t t t (P0 )dr + (P0 )dr + (P0 )dr = P0r0, r0 r2 rи системы уравнений, в которую оно входит в явном виде P1r - P2r2 = (r1 (r2 (r3 (r2 2 P - + r0) - - r1) - P2r2 + + r2) - - r1) + P3 2r23 P0 (r1 - r2) 2r1 (r2 - r1) r1 2 2 r0) 2 (r1 - (r3 - r2) 2 (3 -1) = -1 (12 -1)+ - .(30) 2r3 P P3r3 - (r3 + r2) - (r4 - r3) - P4r4 + (r5 + r4 ) - (r4 - r3) = P0 (r3 - r4) (r4 - r3) + 2 2 2 (3 -1) + (r3 - r2 ) 2 (r5 - r4 ) 2 -1 - P3r3 - P4r4 = Учет влияния стационарного теплового поля в конструкции реализован на основании экспериментальных исследований лабораторной конструкции автоклава и опытной конструкции оболочки (царги), которые показали, что максимальная температура имеет место на внутренней поверхности слоя (3) (рис. 12), который расположен за нагревательными элементами. Такую же температуру нагрева Т0 имеют первые два слоя стенки, которые можно считать равномерно нагретыми и не имеющими температурного перепада между внутренними и наружными поверхностями.

Тепловое поле, возникающее в сборной цилиндрической стенке автоклава (рис. 12) от нагревательных элементов, является осесимметричным, а тепловой поток будет стационарным по толщине стенки от нагревательных элементов к наружной поверхности сосуда.

Если от теплового расширения стенки (3) (рис. 12) не обеспечивается гарантированное сжатие теплоизолирующего слоя (4), а следовательно и технологичность (упругая работа) всей конструкции, металл центральной стенки (1), должен иметь коэффициент теплового расширения больше других компонентов. Принимая во внимание изложенные Рис. 12. Конструктивная схема цилиндри- факты, учет теплового поля в системе (16) ческой стенки автоклава высокого давле- реализуется как ния 2 2 2 1 (1- 2)(r12 + r02) (1- )(r22 + r12) + P2 (1- )22 (1- ) = P1( + ) 1 - - - -P0 2 E1 E2 E1(r12 - r02) E2(r22 - r12) E2(2 -1) E1(12 -1) + (2 - 1)T r3 2 2 2 2 2 (1- )2 (1- )(r22 (1 )(r32 (1- )23 P1 P2( + 2 1 1 + r12) - + r22) + P3 3(1+ )(T0 - T(r3)) 1 r0 - - - = 2 -1) + ) E2 E3 E2(r22 - r12) E3(r32 - r22) E3(3 -1) 2 E2(2 r3 2 ln r3 r2 - r2 r0 r0 .(31) r2 2 2 2 (1- )2 1 r0 P 2 P3( + 2 - 1 (1- )(r32 + r22) (1 - 2)(r42 + r32) + P4 (1- )24 3(1+ )(T0 - T(r3)) - - -3T0 = 2 E3(3 -1) + ) E3 E4 E3(r32 - r22) E4(r42 - r32) E4(4 -1) 2 r3 2 ln r3 r2 - r2 r0 r0 r5 2 2 2 r0 (1- )2 1 1 (1- )(r42 + r32) (1- )(r52 + r42) = 5T(r4)+ 5(1+ )(T(r4)- T(r5)) 2 - - - - P E4(4 -1) + P4( + ) E4 E5 E4(r42 - r32) E5(r52 - r42) 2 r5 2 r5 r4 ln r4 r0 r0 Таким образом, были определены наилучшие параметры работоспособной конструкции цилиндрических стенок автоклавов, которые нашли отражение в графических зависимостях вариации геометрических параметров конструкции и свойств теплоизоляционного материала (4), как определяющего НДС конструкции (рис. 12) компонента (4) с учетом результатов его экспериментальных исследований.

На рис. 13 показана одна из таких зависимостей для внутренней поверхности стенки автоклава r0 (рис. 12) полагая, что линейное Рис. 13 График для выбора механиче- расширение элемента (3) в конструкции (рис.

ских характеристик конструктивных 12) от воздействия высоких тепловых нагруэлементов зок, которые неизбежно возникнут из-за присутствия теплоизоляционного слоя (4), выполняющего свою функцию, будет достаточным для обеспечения надежного сжатия теплоизоляционного материала (4), требуемого технологическими условиями работы автоклава и коэффициент теплового расширения стенки (1) не будет отличаться от других компонентов конструкции.

На основе полученных в работе методов и алгоритмов математического моделирования новых конструкций цилиндрических стенок автоклавов, автором создан комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета и оценки прочностных характеристик исследуемых объектов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Разработаны методы численных исследований и расчета нестандартных узлов и компонентов сборных конструкций цилиндрических стенок автоклавов высокого давления на базе МКЭ.

2. Создан инструмент для расчета и анализа цилиндрических стенок автоклавов со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляции, имеющих многослойное исполнение, на базе разработанных алгоритмов и численных методов, реализованных в виде проблемно-ориентированного комплекса программ.

3. Проведены физические исследования теплоизоляционных материалов и разработаны методы математического моделирования и интерпретации этих процессов.

4. На основе математического моделирования предложены аналитические методы моделирования и расчета модернизированных стенок автоклавов, а также определения параметров их работоспособных конструкций.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Еловенко Д.А. Перспективные направления развития автоклавов высокого давления / Д.А. Еловенко // Вестник ИрГТУ. – 2010. – №1. – С. 277 – 279 (0,19/0,19).

2. Еловенко Д.А. Анализ напряженного состояния упругой полуплоскости, нагруженной постоянным давлением на ограниченных промежуточных участках с заданным периодом методом конечных элементов на базе программного комплекса MSC.MARC / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА. – 2011. – №5. – С.171 – 175 (0,30/0,38).

3. Еловенко Д.А. О рациональном проектировании дистанционных планок нагревательных элементов в автоклавах высокого давления / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА (БГУЭП). Электронный журнал. – 2011. №5 http://eizvestia.isea.ru (0,36/0,44).

4. Еловенко Д.А. Исследование теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов для новых конструкций цилиндрических стенок автоклавов высокого давления / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА. – 2011. – №6. – С.201 – 2(0,30/0,38).

5. Еловенко Д.А. К вопросу о расчете цилиндрических стенок со встроенными нагревательными элементами в автоклавах высокого давления / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА (БГУЭП). Электронный журнал. – 2012. №1 http://eizvestia.isea.ru (0,30/0,38).

6. Еловенко Д.А. Исследование под давлением оболочки со встроенными в стенку нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала / П.Г. Пимштейн, Д.А. Еловенко, А.Д. Татаринов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. Иркутск: ИрГУПС. – 2011. – №4. – С. 17 – 22. (0,30/0,60).

7. Еловенко Д.А. Анализ контактного взаимодействия жестких штампов с упругой полуплоскостью методом конечных элементов на базе программного комплекса MSC.MARC / О.В. Репецкий, Д.А. Еловенко // Вестник ВСГТУ. Улан-Удэ: ВСГТУ. – 2012. – №1. – С. 37 – 40. (0,20/0,25).

8. Еловенко Д.А. Исследование упругих характеристик теплоизоляционных материалов для цилиндрических стенок автоклавов высокого давления / Д.А. Еловенко, П.Г. Пимштейн, О.В. Репецкий, А.Д. Татаринов // Известия ИГЭА. – 2012. – №2. – С.177 – 182.

(0,20/0,375).

9. Еловенко Д.А. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и теплоизоляционным материалом в автоклаве высокого давления и анализ параметров ее работоспособности / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА (БГУЭП). Электронный журнал. – 2012. №2. http://eizvestia.isea.ru (0,30/0,375).

Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2012615150. Программа расчета напряженного состояния многослойных цилиндрических стенок и зоны их соединения сварным швом в сосудов высокого давления / Д.А. Еловенко, О. В. Репецкий, В.Н. Жукова // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. – 2012 (2/1).

Статьи в других изданиях:

11. Еловенко Д.А. Экспериментальное исследование модели автоклава для гидротермального синтеза минералов / Д.А. Еловенко, П.Г. Пимштейн, О.В. Репецкий, Д.В. Татаринов // Вестник стипендиатов ДААД. – 2010. – №1 (7). – С. 11 – 19 (0,15/0,56).

12. Еловенко Д.А. Разработка программы для расчета температурных полей и напряжений в многослойной стенке сосуда высокого давления / Д.А. Еловенко // Применение математических методов и информационных технологий в экономике: Сборник научных трудов – Иркутск: Изд-во БГУЭП, 2011. – С. 40 – 45 (0,38/0,38).

13. Еловенко Д.А. Исследование влияния дистанционных планок нагревательных элементов и их конструктивных параметров на напряженное состояние центральной стенки в новых конструкциях автоклавов высокого давления / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Вестник стипендиатов ДААД. – 2011. – №1 (8). – С. 25 – 27 (0,10/0,20).

14 Еловенко Д.А. Анализ влияния дистанционных планок нагревательных элементов на неравномерность напряженного состояния несущей стенки сосуда высокого давления методом конечных элементов на базе программного комплекса MSC.MARC / Д.А. Еловенко, П.Г. Пимштейн, О.В. Репецкий // Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем. – Иркутск: ИИТМ ИрГУПС, 2011. – С. 79 – (0,25/0,30).

Подписано к печати 11.09.12 г. Формат 60х90/16. Бумага офсетная.

Печать трафаретная. Уч. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ.

Отпечатано в ИПО БГУЭП







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.