Штуцер-МКЭ 3.5. Руководство пользователя

3.10. Задание нагрузок и воздействий

Нагрузки задаются в диалоговом окне "Нагрузки и воздействия" при выборе соответствующей вкладки (рис. 3.67).

Рис. 3.67. Панель задания нагрузок.

3.10.1. Добавление вариантов нагрузок (загружений)

Штуцер-МКЭ позволяет задавать различные варианты нагрузок (загружений), выводя результаты в одном отчете. Верхний выпадающий список позволяет переключаться между заданными загружениями, а также редактировать их имена.

Основные команды редактирования списка загружений:

Все загружения, заданные пользователем, рассчитываются независимо друг от друга и их результаты даются в отчете в отдельных разделах.

3.10.2. Режим работы

Оценка напряженно-деформированного состояния зависит от выбранного режима работы, оценки по которому регламентируется соответствующим нормативным документом. Для каждого выбранного документа будет свой список режимов работы:

3.10.3. Задание параметров расчета усталостной прочности

При расчете с циклическими нагрузками программа позволяет задавать размахи нагрузок. Для этого необходимо включить флаг "Задавать только размахи" (рис. 3.68), тогда будет выполнен только расчет на усталостную прочность в соответствии с ГОСТ 34233.6 или ASME VIII-2. Если флаг выключен, то необходимо задать постоянные и рабочие нагрузки. В этом случае размах напряжений будет определяться как разница напряжений из загружений, соответствующих этим комбинациям нагрузок. Кроме того необходимо задать количество рабочих циклов за время работы конструкции, которое будет определять допускаемую амплитуду напряжений, а также не должно превышать допускаемое количество циклов для расчетного размаха напряжений (рис. 3.68).

Рис. 3.68. Задание количество параметров расчета усталостной прочности.

Для расчета прочности под действием циклических нагрузок по ASME VIII-2 необходимо задать кривую усталости. Для задания параметров кривой усталости, необходимо нажать на кнопку "Опции" (рис. 3.68) после чего появится соответствующее диалоговое окно (рис. 3.69). Кривая усталости задается диаграммой зависимости амплитуд эквивалентных напряжений от допускаемого количества циклов нагружений. Нормативный документ ASME BPVC.VIII.2 использует два основных типа кривых:

• Кривая гладких поверхностей и обработанных швов:
  Этот метод используется для гладких поверхностей и сварных соединений с гладким профилем, который был обработан механическим способом.
  Допускаемое количество циклов определяется в соответствии с п. 3-F.1 приложения 3-F [10] для амплитуды эффективных суммарных эквивалентных напряжений (P_L+P_b+Q+F).
• Кривая усталости для необработанных сварных швов:
  Этот метод рекомендуется для оценки сварных соединений, которые не были обработаны механическим способом.
  Для определения усталостной прочности используются эквивалентные структурные напряжения ΔS_ess, которые являются функцией мембранных и изгибных напряжений, нормальных к плоскости потенциальной трещины.
  Обратите внимание, что при проектировании используется нижний 99% доверительный интервал (-3σ), если другой не обозначен в техническом задании и/или заказчиком.
  Пользователь может задать собственную кривую усталости с помощью параметров C и h (п. 3-F.2.2 [10]).

Рис. 3.69. Диалоговое окно определения кривой усталости.

При выборе кривой усталости для необработанных сварных швов необходимо задать параметры, описанные ниже.

Параметры кривой усталости для необработанных сварных швов. Кривая определяется двумя основными параметрами C и h. Константа C задается в единицах измерения эквивалентных структурных напряжений ΔS_ess [МПа/мм^-0.(2)]. Значения параметров C и h представлены в таблице 3-F.2 [10], но не для всех категорий материалов. Программа предоставляет следующие варианты:

• По материалу - определение по классу материала.
• Ферритные и нержавеющие стали - значения принимаются по соответствующей колонке таблицы 3-F.2 [10].
• Алюминий и его сплавы - значения принимаются по соответствующей колонке таблицы 3-F.2 [10].
• Параметры задаются пользователем.

Поправочный коэффициент повышения выносливости. Если выполняется метод уменьшения усталости, который превышает требования ASME BPVC.VIII.2 по изготовлению, то может применяться коэффициент уменьшения усталости f_I. Отсюда следует, что значение по умолчанию равно 1.0. Коэффициенты повышения выносливости, представленные программой, соответствуют 3-F.2.2(b) [10]. Альтернативное значение коэффициента также может быть использовано, если это обозначено в техническом задании и\или согласовано заказчиком.

Поправочный коэффициент влияния среды. Кривая усталости не включает никаких поправок на коррозионные условия и может быть изменена с учетом воздействия окружающей среды, отличной от окружающего воздуха, которая может вызвать коррозию или распространение трещин. Если ожидается коррозионная усталость, на основе опыта или испытаний следует выбрать коэффициент, с помощью которого следует уменьшить расчетные циклы усталости для компенсации коррозии. Коэффициент влияния окружающей среды, f_E , обычно является функцией жидкой среды, частоты нагружения, температуры и таких переменных материала, как размер зерна и химический состав материала. Коэффициент влияния окружающей среды, f_E , должен быть указан в техническом задании.

Параметры упрочнения материала для диаграммы напряжения-деформации при циклическом нагружении-разгружении. Локальные нелинейные структурные напряжения и диапазоны деформации, Δσ и Δε, соответственно, определяются путем решения правила Нейбера по заданной диаграмме напряжения-деформации с петлей гистерезиса, приведенной ниже (приложение 3-D, 3-D.4):

Таблица 3-D.2 (приложение 3-D) предоставляет $K_{css}$ и $n_{css}$ для некоторых материалов (углеродистых и нескольких хром-молибденовых сталей, а также нескольких алюминиевых сплавов). Поэтому, программа также позволяет задать пользователю свои собственные значения.

3.10.4. Задание давления

Штуцер-МКЭ дает возможность задания внутреннего и наружного давления на сосуд и его элементы. При расчетах по ASME VIII-2 и EN 13445-3 задаются расчетное и рабочее значения давления в соответствии с требованиями этих документов. Для остальных нормативных документов задаётся только расчетное давление.

Программа позволяет установить гидростатическое давление (давление столба жидкости). Для этого необходимо задать плотность среды ρ и её уровень налива H, который отсчитывается от нижней точки несущего элемента (рис. 3.70).

Рис. 3.70. Задание гидростатического давления

Если задан монтажный штуцер (без отверстия в несущем элементе) или опора (и её элементы), то к ним давление не прикладывается.

3.10.5. Задание температуры и температурных деформаций

Штуцер-МКЭ дает возможность задания температуры на отдельные элементы сосуда: несущий элемент, его смежные элементы (например, цилиндрическая часть днища), а также штуцер или опору. При расчетах по ASME VIII-2 и EN 13445-3 задаются расчетное и рабочее значения температуры в соответствии с требованиями этих документов. Для остальных нормативных документов задаётся только расчетное значение – температура, при которой определяются физико-механические характеристики, допускаемые напряжения материалов и проводится расчет на прочность.

Программа позволяет учесть стесненные температурные деформации. Для этого необходимо включить флаг "Учитывать температурные деформации", как показано на рис. 3.71. Детали описаны в разделе "Учет температурных деформаций".

Рис. 3.71. Задание температурных деформаций

Также необходимо задать температуру сборки, которая используется при расчете температурного перепада и температурных деформаций, расчете допускаемых амплитуд при циклическом нагружении, расчете жесткостей и SIF (по умолчанию).

3.10.6. Задание нагрузок на несущий элемент и штуцер

Нагрузки прикладываются к концу патрубка или несущего элемента в зависимости от типа модели. При задании нагрузок во врезке они пересчитываются к статически эквивалентной комбинации нагрузок и также прикладываются к концу штуцера. Обычно нагрузки представляют собой значения, которые рассчитываются непосредственно в программе расчета трубопроводных систем (например, Старт-Проф). Эти нагрузки не должны включать осевую составляющую P*A от давления в трубе, так как она автоматически прикладывается программой.

При расчетах по GOST 34233.6 задаются расчетные нагрузки и нагрузки от собственного веса (постоянные нагрузки).

При расчетах по ASME VIII-2 и EN 13445-3 задаются расчетные и рабочие группы нагрузок, а также нагрузки от собственного веса (постоянные нагрузки).

Для остальных нормативных документов задаётся только группа расчетных нагрузок.

Постоянные нагрузки (мертвые) используются для вычисления размахов напряжений при циклическом нагружении сосуда и его элементов. Также они участвуют в проверке отдельных комбинаций по ASME VIII-2.

При задании нагрузок при расчете по МКЭ необходимо обращать внимание на то, что силы и моменты прикладываются к центру верхней части штуцера и должны соответствовать направлениям осей заданной системы координат. При задании сил и моментов особое внимание необходимо обратить на знаки. Положительные значения соответствуют направлениям, обозначенным на схеме (рис. 3.72). При переходе от одной системы координат к другой, нагрузки могут быть пересчитаны автоматически.

Рис. 3.72. Задание сосредоточенных нагрузок

Поддерживаются следующие типы систем координат (СК) для задания нагрузок:

• Обечайки - нагрузки задаются в системе координат несущего элемента. В данной версии программного комплекса эта СК совпадает с глобальной (ГСК/WCS).
• Штуцера - нагрузки задаются в системе координат штуцера (ШСК). Для разных типов несущего элемента ШСК строится по разному:
  - цилиндрические и конические обечайки: третья ось штуцра (Z_ш) является его продольной осью, первая ось штуцера (X_ш) сонаправлена с продольной осью обечайки (Z), вторая ось строится по первой и третьей;
  - днища: третья ось штуцра (Z_ш) является его продольной осью, первая ось штуцера (X_ш) сонаправлена с радиальным направлением вставки штуцера, то есть определяется углом θ, вторая ось строится по первой и третьей.
• Трубная - нагрузки задаются в системе координат трубного конечного элемента, где вертикаль совпадает с вертикальной осью несущего элемента
  Локальная ось Xm всегда направлена вдоль оси участка трубопровода, ось Zm перпендикулярна оси участка трубопровода и лежит в вертикальной плоскости, причем угол между вертикальной осью и локальной Zm меньше или равен 90° (рис. 3.73а). Ось Ym перпендикулярна осям Zm и Xm, образуя с ними правую тройку. Если участок вертикальный, то ось Xm совпадает с вертикальной осью, ось Ym - с первой боковой осью аппарата, Zm - со второй боковой осью аппарата (рис. 3.73б).
  Эта опция используется для нагрузок, полученных в программах анализа напряжений в трубах на основе конечных элементов балок, таких как Ansys Mechanical (элементы PIPE16, PIPE288), Старт-Проф, CAESAR II и т.п.

а)	б)
Рис. 3.73. Cистема координат аппарата (X, Y, Z) и локальная (местная) система координат, связанная с осью участка (Xm, Ym, Zm)