Расчет шарового крана Dn100 в программном комплексе APM WinMachine

Шаровый кран Dn100Шаровый кран

Компанией НТЦ «АПМ» были проведены расчеты прочности и сейсмостойкости шарового крана Dn100 Pn160 с учетом требований ГОСТ 30546.1.

Подготовка расчетной модели проводилась с использованием APM FEM – системы прочностного конечно-элементного анализа для КОМПАС-3D.

Расчет производился с помощью модуля APMStructure3D входящего в состав расчетного комплекса CAD/CAE системы автоматизированного расчета и проектирования механического оборудования и конструкций APM WinMachine.

Анализ конструкции выполнялся по заказу ООО НПО «Армгазинвест».

 

Проведение расчета

Равномерно-распределенная нагрузкаНа начальном этапе работы на базе присланных заказчиком 3D-моделей и сборочных и деталировочных чертежей, выполненных в графическом редакторе Компас 3D, была скомпонована пространственная твердотельная модель шарового крана Dn100.

Геометрия расчетной 3D-модели несколько отличается от исходной. Это связано с необходимостью корректного создания математической модели, в частности, с учетом в модели только лишь несущих (силовых) элементов конструкции, а также с формированием конечно-элементной сетки из солид-элементов.

Давление со стороны рабочей среды моделируется равномерно-распределенной нагрузкой значением, приложенной к соответствующим поверхностям.

Нагрузка со стороны трубопровода учтена как растягивающая распределенная сила, приложенная к торцу одного патрубка, тогда как торец другого патрубка в данном направлении закреплен.

Для учета термоупругих деформаций вводится прогрев конструкции крана до +80 0C, а также охлаждение элементов шарового крана до -60 0C, что соответствует крайним температурным режимам рабочей среды.

Задание температурыУчет собственного веса производится расчетным модулем автоматически, исходя из геометрии элементов крана и плотности материала, путем введения множителя собственного веса, равного единице.

В соответствии с ГОСТ 30546.1-98 значение расчетного максимального ускорения в горизонтальном направлении составит 5 м/с2, соответственно, значение вертикального ускорения составит 3,5 м/с2.

Задание линейного ускорения производится в двух направлениях, вдоль и перпендикулярно оси патрубков.

Для всесторонней оценки напряженно-деформированного состояния были рассмотрены следующие расчетные случаи:

  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, а также прогрев до +80 0C;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, а также охлаждение до -60 0C;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, температура рабочей среды +80 0C, сейсмическое воздействие вдоль оси патрубка;
  • Приложение силысовместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, температура рабочей среды +80 0C, сейсмическое воздействие перпендикулярно оси патрубка;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, температура рабочей среды -60 0C, сейсмическое воздействие вдоль оси патрубка;
  • совместное действие избыточного давления, усилий со стороны трубопровода, собственного веса, температура рабочей среды -60 0C, сейсмическое воздействие перпендикулярно оси патрубка.

Расчет резьбового соединения выполнялся в модуле APM Joint, входящего в состав комплекса APM WinMachine.

Основными данными для расчета группового резьбового соединения служат реакции в опорах, значение которых будут использованы в качестве силовых факторов.

 

Результаты расчета

Статический анализ напряженно-деформированного состояния силовых элементов конструкции шарового крана проводился в геометрически и физически линейной постановке с помощью метода конечных элементов в модуле APM Structure3D.

Ярко выраженные концентраторы на торцах патрубков, характеризуются наличием опор, которые существенно увеличили жесткость зон закрепления, чего не наблюдается в реальной конструкции. Однако наличие опор – необходимое условие для решения задачи определения напряженно-деформированного состояния шарового крана.

Для определения действующих напряжений исключаем из рассмотрения зоны с краевыми эффектами, используя принцип Сан-Венана: для задачи твердотельного моделирования игнорируем не менее четырех слоев конечных элементов вдоль оси патрубков, начиная с крайнего опорного торца.

Цветовые карты результатов анализа напряженно-деформированного состояния для шарового крана Dn100 Pn160 приводятся с исключением от показа зон, согласно принципу Сан-Венана.

 

Карта эквивалентных напряжений по МизесуКарта эквивалентных напряжений по Мизесу. Отключены показ патрубков, рукоятки и муфтыПервая собственная форма шарового кранаРаспределение давления в поверхности контакта

 

ИтогиИтоги выполненного проекта

Анализируя представленные результаты по всем рассчитанным вариантам загружений модели, можно сделать следующие выводы:

  • Максимальные эквивалентные напряжения в статическом расчете, оцененные по гипотезе прочности Губера-Мизеса (4 теория прочности) возникают в патрубках при температуре рабочей среды 80 0C.
  • Сопоставляя максимальные действующие напряжения с допускаемым пределом текучести, можно считать, что условие прочности конструкции выполнено с коэффициентом запаса по текучести, равным 1,8.
  • Сейсмическое воздействие не вносит существенного вклада в общую картину напряженно-деформированного состояния крана, так как уровень напряжений от действия сейсмической нагрузки как вдоль оси патрубков, так и перпендикулярно оси патрубков не превышает 1 МПа.
  • Максимальные эквивалентные напряжения в расчете сейсмических воздействий, возникают вдоль оси патрубков.
  • Прочность резьбового соединения выполнено с коэффициентом запаса выносливости, равным 6,5 и коэффициентом запаса прочности по пределу текучести, равным 7.8.

Проведенная работа показала применимость программных комплексов APM для решения сложных задач прочностного анализа различных конструкций нефтегазовой отрасли.  

Продукты