4 Анализ работы компенсаторов магистральных трубопроводов в комплексе компьютерного инженерного анализаNxNastran
При анализе в NXNastranбыли приняты аналогичные исходные данные: диаметр трубопровода 530 мм, толщина стенки 8 мм, длина участка с которого компенсатор воспринимает усилия – 300 м. Геометрические схемы расчетных моделей см. рисункок 14.
Рисунок 14 - Геометрические схемы расчетных моделей компенсаторов
В NXNastranбыли замоделированы пространственные расчетные модели. В качестве конечного элемента был принят пластинчатый четырех-узловой конечный элемент, общий вид геометрических моделей представлен на рисунках 15, 16.
Узлы на концах участков трубопровода принимались закрепленными по трем направлениям; по длине прямолинейных участков принимались закрепления с шагом 25 метров, направленные вертикально и в поперечном направлении; для тороидального компенсатора, закрепление(непосредственно под компенсатором) принималось только в вертикальном направлении, для обеспечения возможности свободных горизонтальных перемещений.
Рисунок 15 - Общий вид геометрической модели прямоугольного компенсатора
Рисунок 16 - Общий вид геометрической модели тороидального компенсатора
В качестве материала трубы была принята сталь 10Х18Н10Т. Расчетные характеристики стали задавались в двух вариантах: 1) постоянными, не зависящими от температуры; 2) переменными, изменяющимися в зависимости от температуры, графики функциональных зависимостей расчетных характеристик представлены на рис.17-19.
Рисунок 17 - График зависимости модуля упругости от температуры
Рисунок 18 - График зависимости модуля упругости при сдвиге от температуры
Рисунок 19 - График зависимости объемного модуля упругости от температуры
Рисунок 20 - График зависимости коэффициента Пуассона от температуры
В качестве нагрузок на элементы рассматривался перепад температуры в 60оС (от -30 до +30 и от +30 до -30). Картины перемещени и деформаций отражены на рисунках 21-28.
Рисунок 21 - Эквивалентные напряжения по фон Мизесу в прямоугольном компенсаторе от отрицательного перепада температур
Рисунок 22 - Перемещения в прямоугольном компенсаторе от отрицательного перепада температур
Рисунок 23 - Эквивалентные напряжения по фон Мизесу в прямоугольном компенсаторе от положительного перепада температур
Рисунок 24 - Перемещения в прямоугольном компенсаторе от положительного перепада температур
Рисунок 25 - Эквивалентные напряжения по фон Мизесу в тороидальном компенсаторе от положительного перепада температур
Рисунок 26 - Перемещения в тороидальном компенсаторе от положительного перепада температур
Рисунок 27 - Эквивалентные напряжения по фон Мизесу в тороидальном компенсаторе от отрицательного перепада температур
Рисунок 28 - Перемещения в тороидальном компенсаторе от отрицательного перепада температур
Подводя итог проведенных расчетов можно выделить:
1) величины перемещений для прямоугольного компенсатора составили 0,074 м, а для тороидального компенсатора – 0,075 м (приблизительно равны);
2) величина эквивалентных напряжений соответственно составили 28,88 кН/см2и 15,64кН/см2. Таким образом напряжения в прямоугольном компенсаторе больше в 1,8 раза и значительно превышают расчетное сопротивление стали 10Х18Н10Т (22,05 кН/см2).
При этом следует отметить, что расход материалов на устройство компенсаторов почти идентичен – разница составляет порядка 10%, но такая разница не является существенной, так как тороидальный компенсатор имеет определенный запас относительно предельно допустимых напряжений, а следовательно его габариты могут быть скорректированы в сторону уменьшения. В связи с вышеизложенным можно сделать вывод о том, что работа тороидального компенсатора значительно эффективнее.