Расчет несущей способности элементов криогенного оборудования при малоцикловом неизотермическом нагружении тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

■I О я

Ч и з ^ -

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

Лихман Владимир Всеволодович

УДК 593.3:621.59

РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КРИОГЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОМ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

01. 02. 06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1992

Работа выполнена в Еалашихикском ордена Ленина научно-производственном объединении криогенного машиностроения' имени 40 - летня Октября.

Научный руководитель - кандидат технических наук

старший научный сотрудник В. М. Муратов

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор Л Д. Луганцев, - кандидат технических наук Е С. Федяева

Ведущая организация - НИйхиммаш, г. Москва

Защита состоится "26" ОЗ 1 дд£ г. в час. СО шн. на заседании специализированного совета К063, 44. 06 в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте химического машиностроения С Москва, ул. К. Маркса, д. 21/4 ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим отправлять по адресу: 107884, ГСП, Москва Б-66, ул. К. Маркса, 21/4, ученому секретарю специализированного совета К063. 44. Об.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИХМ.

Автореферат разослан "20." 02. 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук

геяцгпткш! га

:.г. ¿яки отдел диссертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развития криогенного машиностроения характеризуется расширением масштабов использования криогенной техники и ее проникновением во все ведущие отрасли народного хозяйства. Наряду с металлургией и химией крупными потребителями криогенного оборудования становятся энергетика, авиация, наземный и морской транспорт, радиотехника, ядерная физика, медицина, пищевая промышленность. Создается мощная техническая база, обеспечивающая потребителей необходимым количеством жидких и газообразных продуктов. Осваиваются в промышленных масштабах области температур, близкие к абсолютному нулю. В своем развитии криогенная техника использует новейшие достижения смежных областей науки и техники, в свою очередь открывая перед ними принципиально новые возможности.

Основным элементом криогенного оборудования являются тонкостенные оболочечные конструкции, которые в зависимости от назначения, условий работы и изготовления обладают широким спектром конструктивных и технологических особенностей. При эксплуатации указанных конструкций, как правило, имеет место нестационарное тепловое и механическое нагружение, вызывающее в наиболее нагруженных зонах циклические упругопластические деформации и приводящее к малоцикловому разрушению.

Для оценки долговечности тонкостенных конструкций при малоцикловом неизотермическом нагрузкении необходимы разработка и совершенствование методов исследования кинетики напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений, а также выбор и экспериментальное подтверждение критериальных соотношений, характеризующих предельное состояние. Актуальность решения этой проблемы для криогенного машиностроения определила выбор основного направления исследований и основное содержание настоящей работы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является:

- разработка алгоритма расчета кинетики напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений и областях с трещинами тонкостенных элементов конструкций при сложном термосиловом нагружении;

- создание пакт-та прикладных программ, реализующих разра-

ботанный алгоритм, и внедрение его в практику проектирования криогенного оборудования;

- проведение исследований работоспособности и точности разработанного алгоритма и прикладных программ;

- анализ напряженно-деформированного состояния типовых элементов криогенного оборудования с учетом комплекса конструкционно-технологических факторов;

- разработка инженерных методов оценки прочности изделий криогенной техники при малоцикловом нагружении.

Научная новизна. На базе МВЭ разработан алгоритм и составлена программа исследования кинетики напряженно-деформированного состояния в локальных зонах концентрации напряжений в геометрически и физически нелинейной постановках при сложном термосиловом нагружении. В рамках разработанного алгоритма предложена эффективная схема численного интегрирования уравнений теории течения с комбинированным упрочнением. Проведено исследование точности и работоспособности разработанных алгоритмов. Выполнены расчеты типовых элементов криогенного оборудования с учетом технологических несовершенств. Получены удобные для практических приложений зависимости по определению коэффициентов концентрации напряжений указанного класса конструкций. Предложена инженерная методика оценки малоцикловой прочности изделий криогенной техники, учитывающая при определении параметров процесса циклического деформирования эффекты геометрической нелинейности.

фактическая ценность и внедрение в промышленность. Разработанный алгоритм и реализующий его пакет прикладных программ существенно расширяют возможности анализа работоспособности конструкций криогенного машиностроения с учетом рабочих и экстремальных нагрузок. Предложенная инженерная методика оценки малоцикловой прочности дополняет методику, изложенную в ГОСТ 25859 - 83, что расширяет область его применения и позволяет не снижая безопасности значительно повысить гарантированное число циклов нагружения тонкостенных' конструкций.

Результаты исследований, разработанный алгоритм и программа внедрены в ШЮ Криогенмаш и вошли в ОСТ 26-04-2585-86 "Техника криогенная и криогенновакуумная. Сосуды и камеры. Нормы и методы расчета на прочность, устойчивость и долговечность сварных конструкций". Экономический эффект от внедрения

результатов настоящей работы составил 46,9 тыс. рублей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VI, IX, X научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ( Балашиха, НПО Криогенмаш, 1981, 198/, 1989 ), на П Всесоюзной конференции "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" ( Житомир, 1986 ), на Международной научно-технической конференций "Молодые ученые в решении комплексной программы научно-технического прогресса стран-членов СЭВ" ( Киев, 1989 ), на Международной конференции "Сварные конструкции" ( Киев, 1990 ), на Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления создания и совершенствования сосудов, аппаратов, котлов и трубопроводов высокого давления" ( Иркутск, 1991 ), на Ш Всесоюзной конференции "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" ( Винница, 1991 ), на Международной конференции "Крио-геника-91" ( Москва, 1991 ).

По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ.

На защиту выносятся:

- алгоритм расчета кинетики напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений и.вблизи тренда в условиях термосилового нагрулсения;

- результаты исследования точности и сходимости разработанного алгоритма;

- результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния типовых элементов и конструкций криогенйо-го машиностроения с учетом комплекса конструкционно-технологических факторов;

- инженерная методика оценки малоцикловой прочности тонкостенных элементов конструкций;

- пакет прикладных программ, реализующий разработанный алгоритм нелинейного анализа применительно к ЕС ЭВМ и IBM -совместимых ПЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из. введения, пяти глав и сводки основных результатов, занимающих 169 страниц текста и содержащих 57 рисунков и 17 таблиц. В работе имеется библиографический список-, включающий 176 наименований и приложение на 5 страницах. Всего - 195 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Разработка и совершенствование эффективных методов анализа кинетики напряженно-деформированного состояния в высоконаг-руженных зонах концентрации напряжений и вблизи трещин является одним из важнейших аспектов проблемы расчета несущей способности тонкостенных конструкций при малоцикловом неизотермическом нагружении.

Особенности деформирования тонкостенных конструкций,- свя-ванные с их геометрией, позволили сформулировать ряд гипотез, которые легли в основу современной теории оболочек. Большой вклад в развитие теории оболочек внесли С. А. Амбарцумян, К К Болотин, Е 3. Власов, А. С. Во ль мир, А. X Гольденвейзер, Э. И. Григо-лок, Л. Доннелл, А. А. Ильюшин, А. Ляв, К-Маргер, Э. Мейснер, Е А. Кильчевский, ЕКойтер, X М. Муштари, П. Ы Огибалов, М. А. Колтунов, К Е Новожилов, С. П. Тимошенко, В. И. Феодосьев, К Ф. Черных и др.

Сложность уравнений общей теории оболочек, с одной стороны, и развитие вычислительной техники, с другой, позволило направить основные усилия на создание прикладных методов расчета оболочечных конструкций с применением численных методов и, в первую очередь-, метода конечных элементов (МКЭ). Литература, посйя®нная МКЭ весьма обширна. Значительный вклад в развитие теории и практической реализации МКЭ сделан в работах А. К Александрова, Е Г. Корнеева, Л. А. Розина, Н. а Шапошникова, К А. Постнова, И. Л. Хархурима, А. С. Сахарова, Д. В. Вайнберга, А. Г. Угодчикова, 3. И. Бурмана, Б. А. Куранова, Е 3. Шртона, Е. М. Морозова, Дж. Аргириеа, Е-Вильсона, Е Батэ, О. Зенкевича, Дж.Оденаи других советских и зарубежных ученых.

Развитие МКЭ для расчета тонкостенных конструкций идет по трем основным направлениям, характеризующимся типами применяемых конечных элементов: плоские (пластинчатые и осесимметрич-ные) элементы; криволинейные элементы, базирующиеся на специальных теориях оболочек; конечные элементы механики континуума. Анализ работ по применению различных типов конечных элементов показал,. что плоские и криволинейные конечные элементы позволяют понизить размерность задачи и широко используются на практике Для глобального анализа тонкостенных конструкций. Однако указанного типа элементы не позволяют учесть особенности де-

формирования в локальных зонах концентрации напряжений и вблизи трещин, соизмеримых с толщиной оболочки. Поэтому для этих целей необходимо ориентироваться на конечные элементы механики континуума.

Определяющее влияние на точность расчета кинетики напряженно-деформированного состояния оказывает выбор модели материала, адекватно отражающей его поведение при сложном термосиловом нагружении. Поскольку в настоящее время описание в рамках единой модели всего многообразия свойств материала не представляется возможным, то обычно, используют частные варианты, достаточно удовлетворительно описывавшие важнейшие стороны деформирования материалов. Хорошим приближением при исследовании процессов термосилового нагружения являются уравнения теории пластического течения с анизотропным упрочнением, получившие свое развитие в работах А. Ю. йшинского, Ю. Я Кадаиевича, К В. Новожилова, ЯЗ. Паллея, Р. А. Арутюняна, А. А. Вакуленко, И. А. Виргера, Ю. Г. Коротких, Р. М. Шнейдеровича, Н. С. Можаровского, Ю. Е Шевченко, В. Прагера, М. Айзенберга, А. Зиллипса, Г. Циглера Д. Бак-хауза и др. По своему уровню точности эта теория соответствует экспериментальной погрешности, с которой пластические деформации определяются в технике, позволяет учесть эффект Баушингера при смене знака нагружения, имеет хорошее экспериментальное подтверждение при деформировании металлов по траекториям нагружения, близким к лучевым и способна достаточно точно описывать процессы деформирования, по крайней мере, для траекторий средней кривизны.

Эффективность нелинейного анализа конструкций определяется в первую очередь численным методом решения систем нелинейных алгебраических уравнений. В настоящее время в рамках МКЭ наибольшее распространение получили: метод переменной жесткости; метод начальных деформаций и метод начальных напряжений. Возможны также различные комбинации вышеприведенных методов. Однако, разработка эффективных для базовых конечноэлементных моделей модификаций методов решения систем разрешающих нелинейных уравнений весьма актуальна в силу чрезвычайной, даже для современных ЭВМ, трудоемкости вычислений, особенно в задачах циклической термопластичности.

Высокая трудоемкость и сложность процедуры последовательного счета процесса циклического упругопластического деформи-

рования привела к разработке приближенных методов анализа величин основных параметров процесса в опасных точках конструкции и обосновании их на основе численных и экспериментальных исследований. Основные подходы к решению таких задач изложены в работах Г. Нейбера, Е А. Махутова, И. А. Биргера, А. Е Гусенкова, Е И. Котова, Д. А. Гохфельда и др.

Существующая методика уточненного расчета на малоцикловую усталость сосудов и аппаратов ( ГОСТ 25859 - 83 ) основана на определении напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации для упругого материала Данный метод прошел хорошую апробацию на практике и подтвердил свою надежность при создании широкого круга конструкций химического и криогенного машиностроения. Однако в ряде случаев такой подход является консервативным, поскольку он не учитывает изменение геометрии тонкостенной конструкции ( что может стать резервом для повышения несущей способности изделий ). Кроме того стандарт не охватывает распространенные технологические несовершенства, расчет которых представляет значительные трудности ( сварные швы о уводом кромок, вмятины, накладки и др. ).

Вцелом, анализ литературы по рассматриваемой проблеме свидетельствует о том, что задача расчета тонкостенных оболочеч-ных конструкций при неиэогермическом малоцикловом нагружении актуальна и постоянно разрабатывается. Основные усилия направлены на создание прикладных методов расчета и, в первую очередь, на базе МКЭ. Однако, несмотря на значительное число публикаций, недостаточно полно исследованы вопросы разработки, выбора и реализации базовых конечноэлементных моделей и моделей материала для анализа процессов неизотермического термоупругопластическо-го деформирования тонкостенных конструкций в зонах концентрации и вблизи трешлн. Не решены в той мере, чтобы удовлетворить потребности инженера проектировщика и, в частности, конструктора промышленных установок криогенного машиностроения, вопросы программного обеспечения конечноэлементных расчетов кинетики напряженно- деформированного состояния. Остаются актуальными разработка приближенных методов анализа основных параметров процессе деформирования в опасных точках конструкции и создание на их базе инженерных методов оценки малоцикловой прочности.

В работе для вывода уравнений равновесия конечного элемента при нелинёйном деформировании использована стандартная

процедура МКЭ в рамках модифицированной формулировки Лагранжа, при которой на очередном шаге за отсчетное принимается состояние, достигнутое на начало шага. Такой подход соответствует Эйлерову описанию движения и является предпочтительным, поскольку решение нелинейной задачи может быть представлено как серия линейных или умеренно нелинейных задач. Переопределение геометрии на начало шага при этом менее трудоемко, чем решение существенно нелинейной задачи на основе Лангранжева подхода.

Б качестве базовых для расчета напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений приняты изопара-метрические конечные элементы серендипова семейства с квадратичной аппроксимацией поля перемещений. Впервые идея построения такого типа элементов была предложена И. Тайгом. В. Айронс обобщил эту идею на другие типы элементов, а О. Зенкевич подробно обосновал вопросы точности и сходимости изопара-метрических конечных элементов. Определенное влияние на выбор этих элементов в качестве базовых оказала, выявленная Р. Барсо-умом, а таете независимо от него Р. Хеншеллом и К Шоу, возможность моделирования данными элементами локальных особенностей в вершине трещины.

При решении нелинейной задачи, за основу использован метод начальных напряжений. Данный метод для задач пластичности был разработан А. А. Ильюшиным и известен как метод упругих решений. В сочетании с МКЭ он выпервые был применен О.Зенкевичем с соавторами. Основным недостатком метода начальных напряжений является его медленная сходимость для зон с развитым пластическим деформированием. Для ускорения сходимости решения использован предложенный Е. М. Морозовым и Г. П. Никишковым упрощенный вариант метода "А - ускорения". Дополнительно процесс сходимости метода начальных напряжений увеличивается экстраполяцией начального приближения.

Эффективность различных вариантов метода начальных напряжений исследована на примере решения задачи об упругопластичес-ком изгибе круглой пластины с жестким центром. Как показали результаты расчетов, сочетание метода начальных напряжений с "сС- ускорением" и аппроксимацией начального приближения позволяет примерно в 2.5-3 раза повысить эффективность базового метода с сохранением всех преимуществ метода начальных напряжений.

Учет термопластических свойств материала выполнен в рам-

ках теории течения с комбинированным упрочнением. Применение теории течения в сочетании с ЫКЭ для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций связано с необходимостью разработки схем численного интегрирования определяющих соотношений. В работе для вывода уравнений по определению конечных приращений компонент тензора напряжений принято стандарт-

ное в теориях пластичности представление конечных приращений тензора деформаций а в виде суммы конечных приращений соответственно упругой д4 , температурной и пластической д составляющих: д р

+ (1)

Исходя из обобщенного правила интегрирования трапеций при определении конечных приращений пластической составляющей и полагая, что модуль упругости на шаге изменяется, а коэффициент Пуассона,не изменяется, получены следующие соотношения для определения конечных приращений компонент тензора напряжений:

(2)

где индексы н , к - соответствуют началу и концу шага интегрирования; О £ у $ 1 - весовой множитель; дЛ - | л<5чр / <ф йё^-у^аё^ ; в - значения температуры; л - коэффициент линейного расширедая; £ - модуль сдвига; 0 - коэффициент Пуассона; ё0 -1 ; л£0 = ,з ^¿Г.; £ - модуль Кнга; Ф -

характеристики материала, описывающие величину и смещение по-верхностч нагружения; - символ Кронекера.

Точность разработанной схемы численного интегрирования а

также ее устойчивость по отношению к ошибкам округления обеспечивается надлежащим выбором величины весового множителя ¡р . Приведенные в работе результаты показывают преимущества варианта метода при jf - 1. В этом случае схема безусловно устойчива, обладает удовлетворительной точностью и с точки зрения эффективности вычислений не приводит к дополнительным затратам машинных ресурсов по сравнению с деформационной теорией пластичности.

Разработанные расчетные методы и алгоритмы реализованы в виде пакета прикладных программ (11ПП) для исследования кинетики напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений оболочечных конструкций, и вблизи трещин. ППП написан на алгоритмическом языке ФОРТРАН-77 применительно к ЕС ЭВМ и IBM - совместимых ПЭВМ и-ориентирован на решение плоской, осесимметричной и трехмерной задач. Программа оснащена средствами определения параметров линейной (коэффициент интенсивности напряжений) и нелинейной (j-интеграл Черепанова-Райса) механики разрушения. В результате решения серии тестовых примеров получена исчерпывающая информация о работоспособности, функциональных возможностях и эффективности ППП. Хорошее совпадение расчетных с известными аналитическими, численными и экспериментальными результатами свидетельствуют об эффективности разработанного математического обеспечения и об обоснованности применения разработанного алгоритма и программных средств для исследования кинетики деформирования тонкостенных конструкций в локальных зонах концентрации напряжений при сложном термо-ицклическом нагружении.

Разработанные алгоритм и программа применены для исследования напряженно-деформированного состояния типовых элементов конструкций криогенного оборудования.

Одним из наиболее распространенных элементов криогенного оборудования являются цилиндрические и сферические резервуары различного назначения. При существующей промышленной технологии изготовления крупногабаритных сварных резервуаров неизбежны отклонения от правильной геометрической формы, вызванные неточностью сборки, усадкой сварных швов и рядом других факторов. Технологические отклонения формы (ГОФ) оказывают значительное влияние на уровень концентрации напряжений в сварных резервуарах и в большинстве случаев определяют несущую способ-

ность конструкции Б целом.

Исследовано влияние ТОФ типа вмятины и совместного увода кромок стыковых сварных швов (угловатости) на напряженно-деформированное состояние сферических и цилиндрических резервуаров. Расчеты выполнены для диапазона изменения тонкостенности оболочки 20 4 * 200 и относительной величины несовершенства с < 4% £ 2,0. Здесь * - величина увода кромок или глубина вмятины; 5 - толщина оболочки; й - радиус срединной поверхности. Получено, что величина коэффициента концентрации- напряжений в зоне кольцевых сварных швов линейно зависит от относительной глубины увода кромок:

где ^ ; индексы 1,2 относятся соответственно к меридиональным и"окружным напряжениям. Для цилиндрической оболочки <он- ; р - давление; 0.5; Яг- 1.0; параметры определяются гонкостенностью обблочки, протяженностью увода в меридиональном направлении £ и приведены на рис. 1-2. Для сферической оболочки - Рй/г$ ; а~ 1; зависимость параметров от тонкостенности оболочки и протяженности увода в меридиональном направлении приведена на рис. 3.

Численный расчет в линейной постановке коэффициента концентрации напряжений для зоны совместного увода кромок продольного шва цилиндрической оболочки показал, что величина ^ определяется толькб относительной глубиной увода кромок ^ и практически не зависит ни от тонкостенности оболочки ни от протяженности увода в окружном направлении. Значения коэффициентов концентрации напряжений определяются уравнением (3), где

1; 5. 5. Вместе с тем, исследования показали высокую чувствительность коэффициента концентрации напряжений в продольных шах к изменению геометрии конструкции в процессе на- '. гружения. Изменение Геометрии, в первую очередь, определяется тонкостенностью оболочки, относительной глубиной увода кромок < и величиной прикладываемой нагрузки. Значения коэффициентов концентрации напряжений с учетом геометрической нелинейности определяются уравнением (3), где параметр ^ учитывает изменение геометрии в процессе нагружения, является функцией тонкостенности оболочки и величины прикладываемой нагрузки (см. рис. 4).

Расчет напряженно-деформированного состояния в зоне вмя-

ß, 2.0

1.0

к 0

200 %

I - е =

100 200 fi/s

Рис.2.

Рио.З.

Рис.4.

- и -

тины как на сферической, так и цилиндрической оболочках показал, что величина коэффициента концентрации напряжений определяется относительной глубиной вмятины % и ее приведенным радиусом I- • По данным обработки результатов расчетов получена следующая зависимость для определения величины коэффициента концентрации напряжений в зоне вмятины:

С т (4)

где для цилиндрической оболочки:

пг = 1;

6 ¿=-О,И?ё*+0.7и1-<'1,0Г ; (5)

т ~ 0,1581 О, /

для сферической оболочки:

;

+ 1,36 , (6)

т = +0,252.

Большое практическое значение для оборудования, работающего в условиях нестационарного термоциклического нагружения представляет оценка влияния сварного шва на напряженно-деформированное состояние тонкостенных конструкций. Формирование зон повышенной напряженности в них обусловлено выпуклостью шва (валиком усиления). В настоящее время известно значительное число формул для расчетного определения коэффициентов концентрации в сварных швах. Однако все они получены по результатам расчетов или испытаний образцов при механическом нагружении. Значения коэффициентов концентрации напряжений при температурном нагружении тонкостенных конструкций отсутствуют. В работе исследована концентрация напряжений в зоне валика усиления кольцевого сварного шва цилиндрической оболочки как при силовом, так и термическом нагружении. Рассмотрены два варианта силового и три варианта термического нагружения. Три варианта термического нагружения моделируют три различных типа напряженного состояния: однородное растяжение: однородный изгиб; локальный изгиб. Получено, что значения коэффициентов концентрации напряжений зависят от вида напряженного состояния в зоне

сварного соединения и их корректное определение возможно только на основе расчетов конкретных сварных швов. Однако в инженерных приложениях, для определения коэффициентов концентрации термических напряжений допускается пользоваться соотношением, рекомендованным в стандарте " Нормы и методы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002-86", дающем несколько завышенные значения коэффициента концентрации:

где А - высота валика усиления сварного шва; ё - ширина шва; ¿ - толщина листа; р радиус перехода от валика к основному металлу.

Выполнен анализ кинетики деформирования в зоне сопряжения цилиндрического патрубка со сферическим резервуаром при циклическом нагружении внутренним давлением в условиях нормальной Т = 293К и криогенной Т - 77К температур. Получено, что в процессе циклического деформирования в зоне концентрации напряжений устанавливается постоянный размах упругопластических де-

(К)

формаций, характеризуемый коэффициентом концентрации К& . Показано существенное влияние на величину к^ необратимого изменения геометрии конструкции в процессе исходного нагружения, определяемого в первую очередь жесткостью оболочки. Отмечено значительное увеличение жесткости конструкции вследствие низкотемпературного упрочнения материала. Повышение жесткости тонкостенных конструкций, связанное с низкотемпературным упрочнением, приводит к увеличению коэффициентов концентрации деформаций в установившемся режиме нагружения и, следовательно, накладывает дополнительные ограничения на использование эффектов низкотемпературного упрочнения для повышения несущёй способности элементов криогенного оборудования.

Результаты исследования напряженно-деформированного состояния типовых элементов криогенного .оборудования легли в основу разработки инженерной методики расчета малоцикловой прочности тонкостенных оболочечных конструкций с технологическими чонцентраторами напряжений типа совместного увода кромок, вмятин и др. Несущая способность конструкций определяется по моменту зарождения макротрещины в зонах локальной нагруженности

¿¿■= 1+ ¿,117

(V)

с использованием деформационного критерия циклической прочности на базе уравнения Лэнджера. В основу расчета амплитуды условно- упругие напряжений в установившемся режиме нагружения положено экспериментально обоснованное допущение равенства коэффициента концентрации деформаций теоретическому коэффициенту концентрации напряжений, определяемому по результатам упругого расчета с учетом эффекта геометрической нелинейности, проявляющемся в необратимом изменении геометрии конструкции после исходного нагружения и обратимом изменении геометрии в процессе установившегося режима нагружения. Проверка предлагаемой методики выполнена на сопоставлении расчетов с результатами циклических испытаний моделей резервуаров и тройниковых соединений трубопроводов. Показано, что гарантированное число циклов, определяемое по предлагаемой методике, при обеспечении необходимого запаса хорото соотносится с экспериментальным значением и в 1,5-2 раза для тройниковых соединений и в 2-5 раз для цилиндрических резервуаров больше расчетного числа циклов, определенного без учета изменения геометрии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На базе метода конечных элементов разработан алгоритм и составлена программа исследования кинетики напряженно-деформированного состояния тонкостенных конструкций в локальных зонах концентрации напряжений при сложном термоциклическом на-гружении.

2. В рамках разработанного алгоритма предложена эффективная схема численного интегрирования- уравнений теории течения с комбинированным упрочнением при термосиловом нагружении. С точки зрения эффективности машинных ресурсов, применение разработанной схемы не приводит к существенным дополнительным затратам по сравнению с деформационной теорией.

3. Проведено детальное исследование точности и работоспособности предложенных алгоритмов.

4. Выполнены расчета типовых элементов криогенного оборудования с учетом технологических несовершенств. Получены удобные для практических приложений зависимости по определению коэффициентов концентрации напряжений для ряда конструкций.

5. Предложена инженерная методика оценки циклической

прочности элементов криогенного оборудования. Эффективность методики иллюстрируется на примере расчета малоцикловой усталости цилиндрических резервуаров и тройниковых соединений трубопроводов.

Основные положения и.результаты диссертации изложены в следующих опубликованных работах:

1. Исследование прочности и долговечности сварных тройниковых соединений / RR Лихман, Л. Н. Копысицкая, В. М. Муратов, А. В. Самарин // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1987. -N6. - С. 14-17.

2. Муратов ЕМ., Лихман R°R Методы оценки несущей способности элементов криогенного оборудования с учетом кинетики напряженно-деформированного состояния // Установки и системы криогенной техники: Сб. науч. тр. НПО Криогенмаш. - Балашиха Моск. обл. , 1989. - С. 66-73. '

3. Копысицкая Л. Н. и др. Инженерный метод расчета напряженно-деформированного состояния сварных цилиндрических резервуаров с уводом кромок / JL Н. Копысицкая, Е В. Лихман, В. М. Муратов // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1989. - М 10. -С. 15-17.

4. Копысицкая Л. Н. . и др. Прогнозирование долговечности цилиндрических резервуаров с уводом кромок сварных швов / Л. Е Копысицкая, В. М. Муратов, RR Лихман // Исследования в области прочности химического оборудования: Сб. науч. тр. НИИхиммаш. -М. , 1990. - С. 15-22.

5. Напряженно-деформированпое состояние и несувдя способность тройниковых соединений криогенных трубопроводов / RR Лихман, Л. Н. Копысицкая, R М. Муратов, R В. Самарин // П Всесоюзная конференция "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" ( Житомир, 16-18 сентября 1986 г. ).: Тез. докл. , Часть 2. - Киев: ИПП АН УССР, 1986. - С. 9.

6. Муратов В. М. и др. Оценка циклической прочности сварных резервуаров с учетом технологических отклонений / RM. Муратов, Л. R Копысицкая, R В. Лихман // Международная конференция "Сварные конструкции" ( Киев, 24-28 сентября 1990 г.).: Тез.докл. -Киев: ИЭС АН СССР, 1990. - С. 171-172.

7. Лихман RR и др. Расчет сварных сосудов с технологическими несовершенствами /RR Лихман, R М. Муратов, Л. R Копы-

сицкая // Всесоюзная научно-техническая конференция "Основные направления создания и совершенствования сосудов, аппаратов, котлов и трубопроводов высокого давления" ( Иркутск, 4-7 июня 1991 г. ).: Тез. докл. - М.: ЦИНГИхимнефтемаш, 1991. - С. 131-132,

8. .Лихман В. В. и др. Влияние низкотемпературного упрочнения на кинетику напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений тонкостенных конструкций / К Е Лихман, Е М. Муратов, Л. Е Копысицкая // Ш Всесоюзная конференция "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" ( .Винница, 17-19 сентября 1991 г.).: Тез. докл. - Киев: ИПП АН УССР, 1991. - С. 43-44.

9. Прогнозирование долговечности криогенного оборудования при малоцикловом нагружении / КМ. Муратов, К Е Лихман, Л. Н. Копысицкая, Н. Т. Бобель // Международная научно-практическая конференция "Криогенная техника - науке и производству (Криоге-ника-91)" ( Москва, 23-27 сентября 1991 г. ).: Тез. докл. - М.: ЦИНГИхимнефтемаш, 1991. - С. 74.

10. Лихман К Е Алгоритм решения осесимметричной задачи теории пластичности на основе МКЭ. - Балашиха, 1986. - 15 с. -Деп. в ЦИНГИхимнефтемаш 12.11. 86, N1618-хн.

11. Лихман В. В., Муратов В. М. Применение соотношений теории течения для численного исследования напряженно-деформированного состояния конструкций и обработки результатов эксперимента. - Балашиха, 1987. - 10 с. - Деп. в ЦИНТИхимнефте.маш 25.03.87, Мбб5-ХН87.

12. Лихман Е В. , Муратов Е М. Разработка схемы численного интегрирования уравнений теории течения для исследования процессов неизотермического деформирования. - Балашиха, 1990.

8 с. - Деп. в ЦИНГИхимнефтемаш 10.09.90, М2141-хн90.

Подписано к печати 8.01.1992 г. Формат 00x84/16. Объем 1 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ Х- 25.

Ротапринт НПО "Криогенмаш*