Прочностной анализ котла - задача термоупругости

[dolivanov 7]

Здравствуйте.

 

Стоит задача о прочностном анализе котла.

Элементы конструкции котла подвергаются температурному воздействию.

Примерная схема показана на рисунке.

Газоотводящие трубы нагреваются до 110 градусов, нижняя пластина (красная на рисунке), к которой крепятся газоотводящие трубы (зеленые на рисунке), тоже греется до 180 градусов, на корпусе (серый на рисунке) тоже задается своя температура  и т.д.

Есть предположение, что к результате изгибных деформаций в нижней круглой пластине возникнет усталость материала, которая затем приведет к возникновению трещин.

Процесс нагрева и охлаждения конструкции цикличен и заключается вот в чем: сначала быстрый нагрев за 1 минуту, потом порядка 20 минут работа в нагретом режиме, потом охлаждение за пару минут и работа около 20 минут при минимальной температуре около 50-60 градусов.

Возникает вопрос, какой тип анализа выбирать? Статику или динамику? Пока больше склоняюсь к статике.

 

Я предполагаю, что считать статику при наибольшей температуре, получать напряжения в модели. Максимальные значения напряжений не должны превышать примерно половины предела прочности материала, тогда конструкция будет работать долго. Правомерен такой подход к учету усталости конструкции?

 

В ANSYS сейчас заметил Fatigue tool, в котором указывается тип цикла и другие параметры. Пока с ним не разбирался, думаю, стоит ли.

[AlexKaz 1 822]

Здравствуйте. А через ГОСТ "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность" не высчитать? С виду геометрия простая.

(На днях видел один усталостный расчёт труб в ANSYS WB с похожим на Ваш режимом работы - нагрев - работа - охлаждение, так хотелось человека одарить упомянутым ГОСТом, ибо все эти тонкостенные конструкции в трёхмерных твердотельных элементах дают одно число циклов до разрушения, в пластинках - другое, а опираться хочется на бумажку и опыт поколений, а не МКЭшный алгоритм).

[Guterfreund 75]

Рекомендую ГОСТ на сосуды и ПНАЭ. Напряжения получаете численными методами, оценку - аналитически. Без опыта - инструменты ANSYS по оценке долговечности в последнюю очередь.

 

Расчет статический с учетом температурных напряжений. Для динамической задачи, я думаю, Вам не хватит исходных данных...

[dolivanov 7]

Заказчики посоветовались со своими коллегами, говорят, надо сабмоделирование использовать для расчета сварных швов. Настаивают на динамике, у них есть график зависимости температуры от времени.

[Guterfreund 75]

Ну делайте тогда динамику, так вы сможете найти максимальный размах по напряжениям...

[soklakov 1 475]

Настаивают на динамике

Динамика - это учет сил инерции. Процессы нагрева и охлаждения почти никогда не создают сколько-нибудь значимых инерционных сил. Так что динамику лесом.

 

 

 

Я предполагаю, что считать статику при наибольшей температуре, получать напряжения в модели.

 

Напряжения порождаются не только температурой, но и градиентом температур. Вы вряд ли заранее скажете, в какой момент времени напряжения максимальны, поэтому лучше просчитать ряд статических задач для разных моментов времени нагрева.

 

 

 

Максимальные значения напряжений не должны превышать примерно половины предела прочности материала, тогда конструкция будет работать долго.

Можно и так, но если речь об усталости - лучше и брать предел выносливости. В принципе, для многих материалов это будет около друг друга.

Учет того, что цикл нагружения у Вас не симметричный и не синусоида - можно выполнять, но позже. В первом приближении Ваша логика верная - определить максимальное напряжение в цикле, определить по кривой Веллера количество циклов до разрушения.

Изменено 27 июля 2016 пользователем soklakov

[dolivanov 7]

Динамика - это учет сил инерции. Процессы нагрева и охлаждения почти никогда не создают сколько-нибудь значимых инерционных сил. Так что динамику лесом.

 

 

 

 

Напряжения порождаются не только температурой, но и градиентом температур. Вы вряд ли заранее скажете, в какой момент времени напряжения максимальны, поэтому лучше просчитать ряд статических задач для разных моментов времени нагрева.

 

 

 

Можно и так, но если речь об усталости - лучше и брать предел выносливости. В принципе, для многих материалов это будет около друг друга.

Учет того, что цикл нагружения у Вас не симметричный и не синусоида - можно выполнять, но позже. В первом приближении Ваша логика верная - определить максимальное напряжение в цикле, определить по кривой Веллера количество циклов до разрушения.

Спасибо за пояснения.

Считаем статику и динамику в соответствии с экспериментальными кривыми нагружения, разницы никакой практически не выявили.  

Сейчас уже задача ушла несколько глубже - занимаемся еще и сабмоделированием сварного шва и разбираемся с эквивалентным радиусом.

Оболочечная модель дает хорошие результаты, напряжения ниже предела выносливости.

А вот с сабмоделированием приходим к напряжениям порядка 300-400 МПа в самом нагруженном месте. Если брать S-N кривую из Ансиса, то при таких напряжениях конструкция работает несколько десятков тысяч циклов. 

Основной вопрос для меня сейчас - как применять эти кривые. Они, как оказалось, разные и там куча всяких условий. 

Особенно непонятен выбор эквивалентного радиуса скругления при переходе от сварного шва к металлу. Он должен быть 0.05 мм по указанием Международного института сварки. Но при таком радиусе напряжения оказываются очень большими до 450 МПа. Короче, вопросов, как обычно, больше, чем ответов.

Где бы почитать на русском про моделирование сварных швов и про оценку напряжений в них? 

[Guterfreund 75]

Он должен быть 0.05 мм по указанием Международного института сварки.

 

Можно посмотреть на скриншот документа?

[dolivanov 7]

Можно посмотреть на скриншот документа?

 

Прошу прощения, я тут выразился неправильно.

Там такого нет.

Но заказчики пишут о 0.05 мм.

Я нашел статьи, в которых ссылаются на Sonsiono, типа он предложил использовать такой радиус для толщин не более 5 мм.

Но, например, вот в этих работах

1. Schijve J. Fatigue predictions of welded joints and the effective notch stress concept. International Journal of Fatigue, Volume 45, December 2012, Pages 31–38
2. Vogt M., Dilger K., Kassner M. Investigations on different fatigue design concepts using the example of a welded crossbeam connection from the underframe of a steel railcar body. International Journal of Fatigue, Volume 34, Issue 1, January 2012, Pages 47–56
3. Hanssen E., Vogt M., Dilger K. Fatigue assessment of arc welded automotive components using local stress approaches: Application to a track control arm. International Journal of Fatigue, Volume 34, Issue 1, January 2012, Pages 57–64

предлагается брать радиус 0.3 мм.

 

В первой статье вообще авторы считают, что соотношение радиуса  и толщины металла должно быть 0.1. 

[soklakov 1 475]

предлагается брать радиус 0.3 мм.   В первой статье вообще авторы считают, что соотношение радиуса  и толщины металла должно быть 0.1. 

Проведите параметрическое исследование, оцените чувствительность выходного интересующего Вас конечного параметра к этому радиусу. Если чувствительность низкая, возьмите среднее и забудьте. Или возьмите наиболее консервативный вариант сразу.

[Fedor 1 597]

При высокой температуре материал будет вести себя пластично. При 600 градусах примерно имеет почти нулевой модуль упругости. Есть снип по пожаростойкости там об этом можно подробнее посмотреть. Так что на концентрацию напряжений при высокой температуре можно не обращать внимания. Все равно будет пластичность  ...

[Guterfreund 75]

В первой статье вообще авторы считают, что соотношение радиуса  и толщины металла должно быть 0.1.

 

Но заказчики пишут о 0.05 мм.

 

Проведите параметрическое исследование, оцените чувствительность выходного интересующего Вас конечного параметра к этому радиусу. Если чувствительность низкая, возьмите среднее и забудьте. Или возьмите наиболее консервативный вариант сразу.

 

 

По опыту, чувствительность высокая и наша долговечность напрямую зависит от этого радиуса. Это при условии, что проведен анализ сходимости для каждого из радиусов.

 

Вообще, все эти радиусы - вещь мутная и введена, чтобы добиться хоть какой-то сходимости с результатами испытаний. Вот у ТС уже штуки три возможных радиусов набралось. Несомневаюсь, через недельку еще один добавится :-) и для каждого радиуса будет своя амплитуда. Однно успокаивает: в циклике заложены хорошие коэффициенты запаса - 10 по циклам и 2 по напряжениям.

 

Есть документ: ГОСТ 52857.6 - Расчет на прочность при малоцикловых нагрузках, там есть упрощенная методика по оценке циклики, это точно будет в запас и нет там никаких радиусов. Может Вам по нему посчитать?

 

При высокой температуре материал будет вести себя пластично. При 600 градусах примерно имеет почти нулевой модуль упругости.

 

 

Вроде как автор про материал ничего не писал, а Вы сразу нулевой модуль упругости. Все же зависит от стали, есть материалы, которые успешно работают при 800 градусов. А поведение стали при высоких температурах определяется больше характеристиками длительной прочности и ползучести, а не нулевым модулем упругости :-)

 

[Fedor 1 597]

Есть книжка Талыпова о сварочных напряжениях. http://knigi.tor2.org/?b=4486832Там есть примерный график снижения модуля.

"А поведение стали при высоких температурах определяется больше характеристиками длительной прочности и ползучести, а не нулевым модулем упругости" - пожарники думают иначе. Да и ползучесть обысно сводят к понижению модуля упругости в расчетах. В арматуре умножением на 0.2.. 0.3 обычно. Есть в СП по железобетону. Так что с вычислительной точки зрения никакой разницы :)

Зачем в печке малоцикловая усталость ? :)

Изменено 9 августа 2016 пользователем Fedor

[Fedor 1 597]

http://www.twirpx.com/file/367560/- тут еще много книжек по сварочным напряжениям. Если металл не пластичный, то будут приличные остаточные напряжения...

[Guterfreund 75]

@@Fedor, мы с Вами говорим на разных языках. Вы мне про СНиПы, каких-то пожарников и пр. Я Вам говорю как построена методика расчета по ГОСТ и ПНАЭ. И если говорить о МКЭ, то СНиП не самая удачная вещь для оценки.

 

И причем тут сварочные напряжения?

[Fedor 1 597]

Методики могут быть разными, но механика то одна. И так или иначе отражается в методиках. Важно же понимание, а не следование методичкам. Лично я в таких делах действую по справочнику Биргера, Иосилевича, Шорра. http://techliter.ru/load/uchebniki_posobya_lekcii/detali_mashin/raschet_na_prochnost_detalej_mashin_birger_i_a_shorr_b_f_iosilevich_g_b/36-1-0-388Просто в мкэ нахожу на удалении по Сен-Венану номинальные напряжения, это примерно 3-4 характерных размера особенности. Экстраполирую линейно или квадратично в особенность и умножаю на коэффициент концентрации. Обычно это 2-3 . Можно и в Петерсоне посмотреть http://www.twirpx.com/file/824125/

" по указанием Международного института сварки" - так вот же ... :)

Вообще 0.05 мм это уже там где похоже механика деформируемого тела не работает. Где-то у Морозова в книжке по трещинами были картинки применимости теорий в зависимости от размера. Это и раньше было в какой-то книжке из ЛГУ. Лень искать на полках :)

"если говорить о МКЭ, то СНиП не самая удачная вещь для оценки" - как и ГОСТы. МКЭ это математика и механика прежде всего. Ему плевать на какие-то указиловки с рекомендациями :)

Изменено 9 августа 2016 пользователем Fedor

[FSA-FSA 249]

Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components Volume: Author(s): A. F. Hobbacher (auth.) Series: IIW Collection Periodical:   Publisher: Springer International Publishing City:   Year: 2016 Edition: 2 Language: English Pages (biblio\tech): XIII, 143\150 ISBN: 978-3-319-23756-5, 978-3-319-23757-2 ID: 1467738    

Изменено 9 августа 2016 пользователем FSA-FSA

[Guterfreund 75]

Хороший документ!

[Fedor 1 597]

Книжка не документ. В науке не бывает документов. Даже уравнения Навье-Коши не задокументированы  :):):)

[FSA-FSA 249]

Книжка не документ. В науке не бывает документов. Даже уравнения Навье-Коши не задокументированы  :):):)

Вообще-то документ. Международного института сварки

 

IIW document IIW-2259-15

ex XIII-2460-13/XV-1440-13

This document is a revision of

XIII-2151r4-07/XV-1254r4-07

про авторизацию...

he IIW Collection of Books is authored by experts from the 59 countries participating in the work of the 23 Technical Working Units of the International Institute of Welding, recognized as the largest worldwide network for welding and allied joining technologies.

 

Изменено 9 августа 2016 пользователем FSA-FSA