Расчет клиновой задвижки с выдвижным шпинделем в программном комплексе APM StructFEM

Задвижка клиноваяЗадвижка клиновая

Сотрудниками компании НТЦ «АПМ» был проведен расчет сейсмостойкости клиновой задвижки.

Расчет производился с помощью комплекса APM StructFEM, входящего в состав CAD/CAE Системы автоматизированного расчета и проектирования механического оборудования и конструкций APM WinMachine.

Расчет клиновой задвижки проводился по заказу АО «Усть-Каменогорский арматурный завод».

Обоснование прочности проводилось согласно:

  • ГОСТ 30546.1-98. Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям и методы расчета их сложных конструкций в части сейсмостойкости.
  • СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах.

Проведение расчета

Расчетная модель задвижкиПредоставленные Заказчиком трехмерные модели представляют собой сборочные единицы, в состав которых входят детали и подсборки. Однако прямое использование сборок в качестве исходных данных для построения расчетной модели не представляется возможным, так как необходимость учета контактных зон между всеми граничащими элементами заняло бы огромное количество времени и привело к существенному возрастанию размерности задач.

В этой связи Исполнителем было принято решение о модификации исходной трехмерной геометрии с целью уменьшения входящих в состав сборки количества элементов. Например, в модели крышки корпуса посредством булевой операции выполнено объединение днища с обечайкой в единую деталь через общие сварные швы.

Кроме того, из расчетной модели исключены элементы, которые не представляют интерес с точки зрения несущей способности конструкции. Например, модели шпилек, гаек и шайб в месте соединения крышки корпуса и стойки заменены на жесткий контакт между поверхностями фланцев стойки и крышки. Такая замена абсолютно оправдана, так как подразумевается, что болтовое соединение спроектировано таким образом, чтобы исключить раскрытие стыка и срез шпилек.

Также было принято решение исключить из расчетной модели центральный электропривод (ЭПЦ) и заменить его, в зависимости от проводимого расчета, соответствующей нагрузкой или сосредоточенной массой.

Учет избыточного давленияКроме того, из расчетной модели исключены клин, шпиндель и сопутствующие им уплотнительные элементы, которые заменены соответствующей силой, передающейся от бугельного узла через верхний фланец стойки.

В конечном итоге трехмерные сборки модифицированы в сборочные единицы, состоящие из трех деталей: корпус, крышка и корпус.

Для определения собственных частот конструкции также реализована индивидуальная модель. Её особенностью является то, что из неё исключен корпус. Это полностью оправдано, так как корпус обладает существенно более высокой жесткостью, чем стойки и крышки. Следовательно, появление первых собственных частот нужно ожидать именно на связке стойка-крышка. Кроме того, для ускорения процесса расчета крышка и стойка объединены в единую деталь по поверхности контакта между фланцами с использованием булевой операции.

Далее модель передана в модуль APM Studio, где были смоделированы опоры нижней грани фланца корпуса, вступающей в контакт с корпусом, а также построена сетка конечных элементов.

На следующем этапе конечно-элементная сетка была передана в модуль APM Structure3D для последующего анализа собственных частот.

Первая собственная форма расчетной модели объединенных в единое целое стойки и крышкиДля получения правдоподобных результатов учет наличия ЭПЦ смоделирован путем задания сосредоточенной массы в центре масс ЭПЦ. Соединение этой точечной массы с объединенной деталью стойки и крышки осуществлялось через стержни квадратного сечения.

Взаимодействие между крышкой и стойкой, а также между крышкой и корпусом реализовано путем введения контактных зон между совпадающими гранями. Свойства контактных зон соответствует жесткому контакту двух взаимодействующих друг с другом деталей. Такой механизм использован на базе следующего предположения: групповые шпилечные соединения спроектированы таким образом, чтобы исключить раскрытие стыка и срез тел шпилек.

Закрепление модели осуществлено путем запрета всех линейных перемещений по внешним поверхностям ответных фланцев корпуса.

Сила по оси шпинделя рассматривается как равномерно распределенная нагрузка, действующая на нижнюю поверхность верхнего фланца стойки. Это полностью соответствует передаче усилия от шпинделя через бугельный узел на стойку.

Учет сейсмического воздействия в 9 баллов выполняется путем задания двух линейных ускорений: одно в горизонтальном направлении, а второе – в вертикальном (ГОСТ 30546.1-98).

Расчетная модель объединенной в единое целое стойки и крышки с установленными опорами и сосредоточенной массой для определения собственных частот в модуле APM Structure3DЗначение горизонтального ускорения определяется на базе:

  • значения первой собственной частоты;
  • относительного демпфирования равного 2% (ГОСТ 30546.1-98).

Учет собственного веса реализован за счет ввода множителя собственного веса.

Для обеспечения требований СНиП II-7-81 по коэффициентам сочетания нагрузок использована система разложения всех силовых факторов в отдельные Загружения (Загружение – аналог слоя, в котором могут лежать только силовые факторы).

ИтогиИтоги выполненного проекта

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

Продукты