Расчет сосуда под давлением.

[eatokar 7]

Здравствуйте господа и товарищи! Прошу обсудить и помочь разобраться в расчете сосуда работающего под давлением в системе Solidwors Simulation. Ниже подробно расписан ход расчета в Simulation. Однако расчет не сходится с расчетом в Пассат и реальными гидроиспытаниями фильтра. По расчету допускаемое давление для узла "патрубок приваренный к обечайке" составляет 6,143 МПа и это при том, что в  расчете дополнительно из толщин стенок вычтены допуски на коррозию и прочее в размере 2,8 мм! А в расчете в Simulation модель не проходит даже при рабочем давлении в 4,9 МПа и с номинальными толщинами стенок т.к. максимальные напряжения (283 МПа) превышают допускаемые 188МПа. Модель фильтра была упрощена добавлением эллиптических днищ вместо крышки фильтра и фланцевых пар для имитации замкнутого контура. Фильтр был изготовлен на заводе и удачно прошёл гидроиспытание под давлением 6,125 МПа.

Реальные пределы текучести по сертификатам на материалы:

Обечайка (труба 426х16) - 457 МПа;

Патрубки (труба 219х8) - 430 МПа;

Днище (эллиптическое 426х16) - 389 МПа.

Заранее всех благодарю!

 

P.S. Ниже прикреплен файл расчетной модели.

 

226_корпус_Simulation.sldprt

[piden 2 874]

12 minutes ago, eatokar said:

По расчету допускаемое давление для узла "патрубок приваренный к обечайке" составляет 6,143 МПа

 

12 minutes ago, eatokar said:

 А в расчете в Simulation модель не проходит даже при рабочем давлении в 4,9 МПа и с номинальными толщинами стенок т.к. максимальные напряжения (283 МПа) превышают допускаемые 188МПа.

В первом расчете скорее всего использовались линеаризованные напряжения в сечении, а SW показывает пиковые, да еще и в концентраторе.

Вы замельчите сетку и там будет 1000 МПа...

Вы пробовали вручную рассчитать свой сосуд по нормам? Чтобы хоть методику понять.

 

Файл открыть не могу, "будущая версия", а комикс слишком мелкий.

[soklakov 1 475]

1 час назад, eatokar сказал:

Однако расчет не сходится с расчетом в Пассат и реальными гидроиспытаниями фильтра.

Как Вы решили, что с испытаниями не сходитесь?

1 час назад, eatokar сказал:

Прошу обсудить и помочь разобраться в расчете сосуда работающего под давлением в системе Solidwors Simulation.

А сможете сформулировать цель расчета?

[eatokar 7]

@piden Расчет производил по ГОСТ 52857.3-2007. Расчет основан на теории предельного равновесия.

 

49 минут назад, piden сказал:

а SW показывает пиковые, да еще и в концентраторе

Т.е. в расчетах посредством SW пиковыми значениями, особенно в концентраторе, можно пренебрегать? Но ведь на эпюре напряжений в области стыка патрубка и обечайки напряжения превышающие допускаемые заполняют почти всю толщину стыка. 

 

Пересчет с грубой сеткой картину сильно не изменил. Напряжения слегка выросли, хотя область с превышением допускаемых напряжений слегка уменьшилась, однако все равно остается значительной. 

 

P.S. К ответу прикладываю одинаковые модели в разных форматах, если интересно.  Буду признателен за помощь. Толковых расчетов сосудов под давлением в интернете не встречал. 

226_корпус_Simulation.IGS

226_корпус_Simulation.x_t

[piden 2 874]

8 minutes ago, eatokar said:

Т.е. в расчетах посредством SW пиковыми значениями, особенно в концентраторе, можно пренебрегать?

8 minutes ago, eatokar said:

Пересчет с грубой сеткой картину сильно не изменил.

Прошу заметить, что я нигде не советовал "пренебрегать" значениями и считать на грубой сетке)

Лишь указывал одну из возможных причин расхождения результатов ручного счета и моделирования.

 

8 minutes ago, eatokar said:

Расчет производил по ГОСТ 52857.3-2007

Мне с ним на практике сталкиваться не приходилось. Какой там подход при расчете напряжений в стыках?

 

8 minutes ago, eatokar said:

Толковых расчетов сосудов под давлением в интернете не встречал. 

За помощью с литературой нужно к Барламу  обращаться 

 

[eatokar 7]

27 минут назад, soklakov сказал:

Как Вы решили, что с испытаниями не сходитесь?

Замечание справедливое) Расчет в SW на испытательном давлении 6,125 МПа выводит максимальное значение равное 355 МПа, что ниже предела текучести патрубка (430 МПа)

 

30 минут назад, soklakov сказал:

А сможете сформулировать цель расчета?

Цель расчета заключается в определении минимальных толщин стенок для перспективных фильтров. Данный фильтр я просчитываю т.к. есть данные по испытаниям, можно сравнивать.

На своем предприятии расчет сосудов под давлением производим при помощи проги Пассат, которая считает по ГОСТ 52857.3-2007. Однако для себя лично пытаюсь сопоставить два метода расчета. 

[eatokar 7]

4 часа назад, piden сказал:

Мне с ним на практике сталкиваться не приходилось. Какой там подход при расчете напряжений в стыках?

http://www.xn--m1abbbfjh0bzc.xn--p1ai/vessels/shell_with_nozzle.php

Онлайн калькулятор по ссылке считает по этому ГОСТу. Расчет учитывает геометрию, допускаемые напряжения для материала при определенной температуре и конечно коэффициенты.) Определяем допускаемое внутреннее давление и сравниваем с исходным. 

 

По расчету для моего фильтра допускаемое внутреннее давление составляет:

1) в рабочих условиях 6,143 МПа > 4,9 МПа (при допускаемых напряжениях для 09Г2С = 186,5 МПа);

2) в условиях гидроиспытаний 8,984 МПа > 6,125 МПа (при допускаемых напряжениях для 09Г2С в условиях гидроиспытаний = 272,7 МПа).

А расчет в SW выдаёт 283 МПа при давлении 4,9 МПа и 360 МПа при давлении 6,125 МПа. В обоих случаях есть превышение допускаемых напряжений.

 

P.S. Внутренняя грань стыка патрубка и обечайки имеет радиус 3 мм. И скорее всего является концентратором. Но как исключить концентраторы из общей картины расчёта? 

Ниже привожу эпюры с отображением зон превышающих допустимые напряжения. И если ситуацию с давлением гидроиспытания 6,125 МПа можно считать удовлетворительной с "определенной???)))" степенью допущения, то ситуация с рабочим давлением кажется фатальной т.к. во всем узле стыка патрубка и обечайки напряжения превышают допускаемые.

Как быть? Не знаю. Буду рад конструктивным комментариям!

 

P.S.S. За контакт господина О dbarlam огромное спасибо! Обращусь за помощью.

 

[eatokar 7]

Для эксперимента решил минимизировать влияние концентратора в зоне стыка патрубка и обечайки путем следующего допущения: увеличение радиуса грани стыка с 3 мм до 30 мм!!! Правда пришлось увеличить и радиус внешней грани стыка с 10 мм до 30 мм. Картина для давления гидроиспытания 6,125 МПа стала более чем удовлетворительной, но с рабочим давлением 4,9 МПа все так же для меня не очевидно.

[eatokar 7]

@soklakov , нашёл одно Ваше сообщение в ...

 

Там Вы отвечаете на вопрос "У меня в модели получились большие напряжения во внутреннем угле. Пробовал сделать сетку мельче - напряжения стали еще больше! Что делать?" так:

"Тебе повезло - это сингулярность...

Что делать? Есть три принципиально отличающихся варианта (возможно, больше):
- игнорировать;
- разрешить;
- учесть пластику."

 

Чувствую, что мой случай))) Догадывался о таких решениях, но реализовать третий вариант не мог т.к. нет большого опыта работы в Simulation. Как учесть пластику в расчет? Как заложить в модель упруго-пластическую модель Прандтля? Буду Вам беспредельно благодарен за разъяснения!

 

До этого просчитывал крышки тех же фильтров и принимал решение о годности используя первый вариант.) Но там решение принималось без излишних опасений т.к. избыточные напряжения были поверхностными и локальными, да и значения были не более 220-240 МПа. Т.о. можно было пренебречь ими, что впоследствии подтвердилось гидроиспытаниями и удачной работой оборудования у заказчиков. Да и перед использованием SW Simulation проверил возможность применения первого способа путем просчета древних проектов.) Однако, возвращаясь к обсуждаемой модели, область стыка патрубка с обечайкой при давлении 4,9 МПа не похожа на сингулярность т.к. зона с превышающими допускаемые напряжения перекрывает почти все поперечное сечение стыка...

[piden 2 874]

40 minutes ago, eatokar said:

т.к. зона с превышающими допускаемые напряжения перекрывает почти все поперечное сечение стыка...

Только путайте допускаемые напряжения с напряжениями текучести)

 

 

Максимальные напряжения в сечении превышают допускаемые напряжения, которые были назначены, но не sigmaY. В пластику вы так и не вошли, даже с учетом радиуса 3, ведь sigmaY ~= 430 MPa, а max VonMises ~= 370 MPa.  Во время эксперимента тензодатчиков не было, напряжения не измерялись. И по расчету, и по эксперименту получается, что конструкция выдержит такое давление. И, судя по всему, даже большее. Другое дело, какой там будет запас и какой ресурс (если дойдет дело до усталости).

 

Я был не прав, сингулярности там нету, напряжения выходят на полку при достаточно подробной сетке.

Но смысл вам закладывать упруго-пластическую модель, если до пластики дело не доходит?

 

Советовал бы детально разобраться с методикой расчета напряжений по гостам / нормам (видеть и понимать формулы, а не использовать онлайн калькулятор). Как видите, мне самому это делать лень ради ответа на форуме

А потом почитать про линеаризацию напряжений, можно здесь для начала) 

 

 

 

 

[eatokar 7]

2 минуты назад, piden сказал:

Только путайте допускаемые напряжения с напряжениями текучести)

Доброе утро! Не путаю) Предел текучести для 09Г2С при 60гр.С около 280 МПа, хотя по сертификату 430 МПа.) Соответственно допускаемые 280/1,5=186,5 МПа. Это понятно) Но по нормативам сравнивать я должен с допускаемыми напряжениями. 

 

Спасибо, что взялись за расчет модели! При испытательном давлении допускаемое напряжение будет около 272 МПа, так что картина чуть улучшиться) 

 

P.S. Ссылка на онлайн калькулятор прислана для ознакомления))) Там подробно расписан ход решения. 

P.S.S. Спасибо за ссылку! 

[dbarlam 184]

Я посмотрел Вашу модель. ее вполне можно моделировать оболочечными элементами - будет проще и быстрее и понятнее

аосмотрите непсколько прилепленных работ . и ссылку - там емть рекомендации.

Моделирование тетрами не даст Вам возможности построить сетку соответствующую задаче.

Когда-то приходилось считать артерии для установки стентов . И я долго мучился с построением сетки ис элементов HEXA

У вас это проще - поэтому  я бы строил оболочки

А как известно где тонко там и ВРЕТСЯ. А надо там мелкую сетку и т.д. - с оболочкой легче

А вообще начните с ручных расчетов (ГОСТ . или могу послать Американцев, если вас не смущает английский )

https://knowledge.autodesk.com/support/simulation-mechanical/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2017/ENU/SimMech-UsersGuide/files/GUID-D01AAF6E-A3E7-45B5-AE04-746E40AE6F2A-htm.html

EQUIVALENT STRESS IN A PRESSURE VESSEL HEAD WITH A NOZZLE lewinski.pdf

2013-03-29_FEAofPressureVessel_Part1.pdf

InTech-Reduction_of_stresses_in_cylindrical_pressure_vessels_using_finite_element_analysis.pdf

Stresses at Nozzle Connections of Pressure Vessels .pdf

A Finite Element Model to Analyze Cylinder-Cylinder Intersections 1987.pdf

STRESS ANALYSIS ON VESSEL-NOZZLE INTERSECTIONS .pdf

[piden 2 874]

5 minutes ago, dbarlam said:

или могу послать Американцев, если вас не смущает английский

Давайте!))

 

5 minutes ago, dbarlam said:

Моделирование тетрами не даст Вам возможности построить сетку соответствующую задаче.

Я понимаю, что у старшего поколения неприязнь к тетрам. Но если в наши дни ресурсов достаточно - то почему нет?

Или лучше делать субмоделирование после расчета оболочечной модели?

 

PS я понимаю, что на оболочечной модели проще получить мембранные/окружные и прочее для сравнения с бумажным расчетом.

Но не обижайте тетры!))

18 minutes ago, dbarlam said:

А вообще начните с ручных расчетов (ГОСТ . или могу послать Американцев, если вас не смущает английский )

https://knowledge.autodesk.com/support/simulation-mechanical/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2017/ENU/SimMech-UsersGuide/files/GUID-D01AAF6E-A3E7-45B5-AE04-746E40AE6F2A-htm.html

EQUIVALENT STRESS IN A PRESSURE VESSEL HEAD WITH A NOZZLE lewinski.pdf

2013-03-29_FEAofPressureVessel_Part1.pdf

InTech-Reduction_of_stresses_in_cylindrical_pressure_vessels_using_finite_element_analysis.pdf

Stresses at Nozzle Connections of Pressure Vessels .pdf

A Finite Element Model to Analyze Cylinder-Cylinder Intersections 1987.pdf

STRESS ANALYSIS ON VESSEL-NOZZLE INTERSECTIONS .pdf

Very nice!

 

Как еще один лайк поставить?

[dbarlam 184]

Мы не против - но каждому овощу свое место в салате

Не всегда удается использовать Тетра для построения неравномерных сеток. 

По случаю пришлось недавно сделать несколько сравнительных моделей - Тетра_гекса

И тетра прекрасно работали. Мы не совсем уж законченные ретрограды

Не получается загрузить файл

[dbarlam 184]

ASME SEC VIII DIV-1 Boiler & Pressure Vessel Code 2013 Rules for Construction of Pressure Vessels.zip 

Распакуйте файл

Это  американский стандарт

ASME SEC VIII DIV-1 Boiler & Pressure Vessel Code 2013 Rules for Construction of Pressure Vessels.zip

[soklakov 1 475]

1 час назад, dbarlam сказал:

Мы не против - но каждому овощу свое место в салате

Не всегда удается использовать Тетра для построения неравномерных сеток. 

 

2 часа назад, dbarlam сказал:

Моделирование тетрами не даст Вам возможности построить сетку соответствующую задаче.

Видите ли, уважаемый @dbarlam , за пару постов до Вашего сообщения @piden доложился, что решил обсуждаемую задачу по варианта "разрешить" - то есть добился сеточной сходимости при измельчении сетки в области концентрации напряжений (на тетрах).

В связи с этим Ваши заявления выглядят слишком резкими и неоправданными)

[piden 2 874]

2 minutes ago, soklakov said:

В связи с этим Ваши заявления выглядят слишком резкими и неоправданными)

Но тут стоит добавить, что за литературу мы готовы все простить, оправдать и загладить))

[soklakov 1 475]

2 часа назад, eatokar сказал:

Но по нормативам сравнивать я должен с допускаемыми напряжениями. 

Вот это ключевой момент, который очень тесно связан с целью расчета.

Вы пишете, что целью ставите определение минимальных толщин. Это благородно.

Но минимальные толщины... соответствующие чему?

Вы тут будете прыгать с напряжениями на 10-20%, а потом будете назначать припуск на коррозию в 2 мм, который перекроет все Ваши неточности расчетов. Или нет?

Чего Вы хотите от минимальной толщины? И сколько она должна проработать?

 

То что Вы хотите сделать... это не отвечать на эти вопросы, а воспользоваться ГОСТом. Там как бы зашиты ответы на эти вопросы. Но тогда Вы принимаете и степень оптимальности решения. К примеру, коэффициент запаса, который используется в ГОСТе, может быть изменен на 1,1 или даже 1,01 если Вам, к примеру, на один раз и жутко точно умеете считать.

И Вам стоит прояснить для себя, Вам по ГОСТу или оптимально?  Потому что по ГОСТу это не оптимально, это безопасно. Шашечки или ехать.

[Борман 2 375]

@soklakov

О да... Прослезился даже. Чувствуется, что тоже была задача, в которой надоело фантазировать.

[eatokar 7]

7 часов назад, soklakov сказал:

Вот это ключевой момент, который очень тесно связан с целью расчета.

Вы пишете, что целью ставите определение минимальных толщин. Это благородно.

Но минимальные толщины... соответствующие чему?

Вы тут будете прыгать с напряжениями на 10-20%, а потом будете назначать припуск на коррозию в 2 мм, который перекроет все Ваши неточности расчетов. Или нет?

Чего Вы хотите от минимальной толщины? И сколько она должна проработать?

 

То что Вы хотите сделать... это не отвечать на эти вопросы, а воспользоваться ГОСТом. Там как бы зашиты ответы на эти вопросы. Но тогда Вы принимаете и степень оптимальности решения. К примеру, коэффициент запаса, который используется в ГОСТе, может быть изменен на 1,1 или даже 1,01 если Вам, к примеру, на один раз и жутко точно умеете считать.

И Вам стоит прояснить для себя, Вам по ГОСТу или оптимально?  Потому что по ГОСТу это не оптимально, это безопасно. Шашечки или ехать.

Давайте переформулируем задачу.

Поступает задание спроектировать сосуд работающий под давлением.

Исходные данные:

Диаметр трубопровода = DN200 (219 мм);

Расчетное давление = 4,9 МПа;

Температура рабочей среды = 60 гр.С;

Температура окружающей среды = -40 гр.С ... +40 гр.С;

Решение:

По ГОСТ 52857.3-2007 подбираю диаметр и толщины обечайки, днища и патрубков. Если нужно, то лист усиления на патрубки. По ГОСТ конструкция годна если напряжения при давлении 4,9МПа не превышают допустимые, в конкретном случае 186,5 МПа и 272МПа при испытательном давлении 6,125 МПа. В расчете учитываются допуски на коррозию (0,1мм/год), коэффициент прочности сварного шва, учет взаимного расположения отверстий в обечайке и т.д. 

Я же хочу проверить геометрию реального сосуда под давлением в среде SW. Диаметры и толщины подобраны по методике описанной выше, конструкция прошла заводские испытания и удачно работает у заказчика много лет.

Как я понимаю, если напряжения не превысят 186МПа при 4,9МПа давления и 272 МПа при 6,125 МПа, то конструкция годна, верно? Или данная методика в расчетах SW неприменима?