автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Экспериментально-численное исследование напряженно-деформированного состояния тонкостенных кольцевых аппаратов при действии избыточного давления и неравномерного нагрева с учетом остаточных напряжений

Для служебного пользования

Экз.

УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕН,:: ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. С.М.КИРОВА

ЭКСПЕРИШПМЬНО-ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЕЕННО-ДБЮРШГОЗАИНОГО СОСТОЯНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ КОЛЬЦЕВЫХ АППАРАТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ И НЕРАВНОМЕРНОГО НАГРЕВА С УЧЕТОМ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Специальность 05.23.17 - Строительная механика "

Автореферат диссертаиии на соискание ученой степени кандидата технических наук

/✓ 2Я$2£ /-РГ/7

На правах рукописи

КУДРЯШОВ Александр Никитич

V

)

Для служебного пользования Экз. » 90

УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА 1РУДОЙОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. С.М.КИРОЗА

На правах рукописи

КУДРЯШОЗ Александр Никитич •

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ЧИСЛЕННОЕ ИСОЯВДОЗАКИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕЮРМИРО ДАННОГО СОСТОЯНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ КОЛЬЦЕЗКХ АППАРАТОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ И НЕРАВНОМЕРНОГО НА ГРЕЗА С УЧЕТОМ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.23.17 - Строительная механика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандилата технических наук

Счгря 1 П'?

Работа выполнена в лаборатории прочности СвердНйИхимиаша.

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.Г.Карпунин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ТИМАШЕВ Я.А. ;

кандидат технических наук, доцент ВОЗНЕСЕНСКИЙ A.A.

Ведущая организация - Казанский физико-технический инсти -тут КФЛН СССР. 1

Защита состоится I? декабря 1990 г. в _час. _мин. в ауд.

учебного корпуса на заседания специализированного совета К 063.14.05 по присуждению ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.17 - "Строительная механика" при Уральском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им.С.М.Кирова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " /4 " ноября 1990 г. Отзывы по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 620002, г.Свердловск, УПЛ км.С.(«'.Кирова, Ученому секретарю Совета института, тсл.44-Ь5-74.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук, >> г

допент В.В.Рогалевич

иСЛЛЯ ХЛРЛКГгЖ'СТыСА РДВОГа

Актуальность т«м'.|. Дли переработки растворов делынисси материалов широкое распространение в нашей стране получили тонкостенные кольцерне аппараты, форма к размеры которых определяются из условий ядерной безопасности и ограничивается отраслевыми стандартами. Разрушение кольцевых аппаратов приводит к большим экономическим потерям, ремонт их является затрудненным вследствие облучения ремонтного персонала. Повышенные требования к надежности укапанных аппаратов определяют актуальность разработки и применения достоверных методов их расчета на прочность с учетом реальной технологии изготовления и'нагрумения. Широкое применение кольцевых аппаратов в процессах, связанных с циклическим пульсационным ь'агружением, определяет необходимость учета характера распреде -яенил остаточных напряженка, возникающих в процессе сварки. Применение известных алгоритмов для расчета многосвязных конструк -ций применительно к кольцевьм аппаратам требует эксперименталь -ной проверки влияния их конструктивных особенностей: наличие элементов, образующих неосесимметричность (опорных лап, штуцеров, продольных пластин), а также влияния остаточных напряжений. Актуальность темы определяет то, что в технической литературе практически нет данных о характере напряженно-деформированного состояния (ЦЦС) кольцевых аппаратов.

Целью работы являются:

- экспериментальное исследование на крупномасотабкьэс моделях кольцевых аппаратов, изготовленных по типовой технологии, НДС при статическом и переходном режимах нагружеиия избыточным давлением и в результате неравномерного нагрева;

- теоретическое изучение НДС кольцевых аппаратов при осесим-метричном и неосесимметричном нагреве и нагружении избыточным давлением:

- уксперпментальноо изучение распределения остаточных на-, пряжений, вознпкао.цих в моделях кольце та аппаратов в процессе их изготовления:

.- разработка методики определения остаточных напряжений в кольцевых аппаратах с использованием программ статического расчета оболочечных конструкций- на ЭВМ;

- экспериментальное исследование устойчивости цилиндричес -ких оболочек кольцевых аппаратов при нагрукении внешни., давлением и осевым сжатием в составе многосвязной конструкции;

- изучение ВДС в зоне сопряжения продольной пластины с цилиндрическими оболочками, разработка методики моделирования на ЗШ ВДС в этой зоне.

Научная новизна работы состоит:

- в экспериментальной проверке теоретически результатов, полученных по известным программам типа РАМОК (расчет многосвязных оболочечных конструкций) для расчета кольцевых аппаратов;

- в экспериментальном изучении характера изменения ВДС кольцевых аппаратов в период подачи и сброса пара;

- б экспериментальном изучении ВДС, возникающем в процессе изготовления кольцевых аппаратов; в создании методики моделирования распределения остаточных напряжений в кольцевых аппаратах;

- з экспериментальном изучении влияния стеснения температурных деформаций на устойчивость цилиндрических оболочек в составе многосвязных конструкций;

- в получении новых расчетных данных о характере НДС кольцевых аппаратов при пульсационном неосесимметричним режиме их на -гружения;

- в разработке методики подобного моделирования ВДС в зоне сопряжения продольной пластины с цилиндрическими оболочками, сводящей решение неосесимметричной »адачи к ооеокмм^таичной.

нр-актическа.«1 ценность работы зц.чл-ишеген:

- в проведении расчета ряда реалыпос кольцевых аппаратов, с ■ использованием разработанной методики и гюлуменных эксперимен -тальшсх дшннх;

- в выявлении наиболее опасных участков кольцевых аппаратов и выработке рекомендация по их усилению, в обеспечении требуемоЯ долговечности этих аппаратов;

- в разработке новой конструкции кольцевого гульсационного аппарата, зачтенного авторским свидетельством.

Вмедс^ние резуль татов. Результаты диссертационноЯ работы использовались при проектировании в Спердп/35химмач;е рнда кольцечнх (ь том числе • ' рульсагионных) аппаратов, ¡'.место? подтвержденный гкониг/ическиП о^ект от внедрения результатов исследования ( акт вньдриннл приведен ъ диссертации;, па основании полненного авторского <;видегелы;тьа спроектирован и илгитовлен кольцевой пуль-Сй1:и..'нний аппарат.

Доклад:.' и публикации. Результаты работы докладывались на отраслевой конференции (Красноярск 198ч г.). П" теме диссертации опубликовано 5 статей. Получено авторское свидетельство на изобретение.

СХ~ем работы. Диссертации состоит из введении, четыре* глав, заключения,списка литературы, пчти приложений и сод^рт.чт 21-0 страниц машинописного текста, включая 79 рисунков, 13 таблиц и гписок литературы из 126 наименование. Б приложениях приред<;;:к р.тг-униз. исполнительно габлвдт с АЦПУ ЭВМ с численными данными. копия тсрского еандотельсгна, акт и внедрении.

СОДлРАЛ!!^ РАБОТ!..

По введении отра*ены актуальность, научная ноиичип и (.рак-гическан ценность работы.

3 первой г1 лаве рассмотрены конструктивные особенности кольцевых аппаратов и условия их на!руления. Требование обеспечек;ш ядерной безопасности определяют их геометрическую форму (рис. 1). Многоовязность конструкции приводит к стеснению температурных деформаций в процессе сварки,в результате чего возникают как окружные так и мерздиональные остаточные напряжения высокого уровня. Технологические процессы приводят к неравномерному нагреву и циклическому ьягруке:Шк) кольцевых аппаратов избыточным давлением (в тем числе ниоиесимметричным).

Аьалаз методов расчета на прочность покаэчзает, что стандарты, г.римеш'вчио для оборудования химических производств, не позволяют оценить ВДС кольцевых аппаратов. Развитие чнеленпья методов и внедрение 5ВМ дают возможность рассмотреть кольпезые аппараты как составные оболочечные (многосвяэние) конструкции' и применить для их расчета известные методы теории оболочек и пластин. Обзор работ показывает, что наиболее приемлемы?.) является метод ортогональной прогонки, реализованный в отечественных пакетах прикладных программ РАМОК и ЫШР. Однако непосредственное их применение не позволяет учесть особенности кольцевых аппаратов: наличие продольных пластин и штуцеров, создающих осевую несимметрию, достаточных напрлжоний.

Теория сварйчиых напря.коииЛ развивалась как в трудах отечественных ученых И. А.Бисера, В.А.Винокурова, К.М.Гатовского.З.С.Иг-катьевоЯ, С.А.Кугьмнноеа, Б.И.Ыахнонко, Г.А.Николаева, Н.О.Окер -блсма, Е.О.Патока, К.Н.Рыкалииа, В.Ц.Сагллевича, Г.БЛ'илыпова, П.П.Трочуна и друик. так н аа^убежикх ученых »1.11. Ар: ир.юа, ..В.

Бр^-'а, К.Мацубучи, З.Р.Ссгуда и других. Развитие численных методов расчета и внедрение ЭВМ позволил/, разработать общи* подход решения задач по' кинетике сварочных напряжений на основе теорий пластического течения с изотропными и трансляционным упрочнением. Однако во многих случаяъ еще не представляется возможным во всей полноте отразить термомеханические процессы, происходящие в металле во время сварки и остывания конструкций с учетом взаимодействия всех элементов. Поэтому разработанные программы, например, в ИЭС им.Е.О.Патона, применимы для достаточно простых конструкций и не могут быть использованы для расчета остаточных напряжений во всех элементах кольцевых аппаратов. Обзор работ показывает, что для моделирования остаточных напряжений в кольцевых аппаратах можно использовать сксперииентально-теоретическиа методы, учитывающие основные влияющие факторы. Образование остаточных напряжений при сварке связано с объемным изменением металла в области, прилегающей к шву. В теории сварочных деформаций принимается, что пластические деформации в зоне сварных швов зависят в основном от теп -ловых характеристик процесса сварки и свойств металла и в меньшей степени от характеристик жесткости свариваемых элементов. Это позволяет задачу определения сварочных деформаций расчленить на две части: термомеханкческую и деформационную. В первой части рассматриваются деформации и изменения объемов в зоне сварных швов, во второй - определяются деформации конструкции в целом.

Объем погонного продольного укорочения в зоне сварного шва составляет '

V, - 0,335 , •

гае оС - коэффициент линейного температурного расширения;

с^р - объемная теплоемкость; - погонная энергия нагрева;

д-г, , ~ коэфс! ициенты, учитывающие влияние теплоотдачи, начальных напряжений (например, от прихваток) и толщины листа.

а .

Имеющиеся и технической литературе данные (а такгке прове -денные эксперименты) позволяют оценить ширину распределения остаточных напряжений, а также угловые перемещения и соответствующие им моменты, возникающие вследствие неполного проплавления листов или неодновременности заполнения разделки сварных соединений. '

Для рассмотрения второй задачи, а также для моделирования и описания ВДС несимметрично нагруженных и нагретых оболочек кольцевых аппаратов используется система дифференциальных уравнений восьмого порядка _

А(В) /У + /(Я/ где // - вектор неизвестных усилий и перемещений;

А (г) - заданная квадратная матрица порядка /7=8;

/И) - заданный вектор столбец.

При осесшметричном распределении остаточных напряжений и осесимметричном нагружении указанная выше система сводится к системе шести дифференциальных уравнений, где вектор неизвестных М = У,И) М/^ . Внутренние усилия ) и перемещения (V, и, V ) определяются приложенными внешними нагрузками т} 1 а также температурами. как равномерными по толщине ао ), так и не равномерными (д/ ). Использование уравнений теории тонких оболочек и пластин позволяет свести задачу моделирования остаточных напряжений к задании соответствующих "фиктивных" моментов и температур ( /п, /о л / ) в зоне свар -ных швов.

В первой главе на основе анализа численных методов определения ЩС и остаточных напряжений в кольцевых аппаратах, а также их конструктивных особенностей ставятся задачи исследований (приведены выше).

Бо второй главе приводятся результаты экспериментально-чис-

ленного изучения 1ЩС моделей кольцевых аппаратов при статическом воздействии пзо'нточного давления и неравномерного нагрева. Дается описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов на крупномасштабных моделях, изготовленных согласно правил Г'осгортехнадзора по типовой технолог»«:. В моделях были сохранены основные параметры реальных тонкостенных аппаратов: соотношения диаметров и толщин, а такяе диаметров и длин цилиндрических оболочек. Выбранные толщины и диаметры исключали нелинейное эффекты при монтаже -и нагружениях.

Нагрев моделей осуществлялся с использованием горячей, холодной технической воды и пара. Измерение деформаций проводи -лось с использованием, тензомотрг.ческой аппаратура ЩМ-5 и 1-уЩ-Т и термокомпенсирог.анных теиэсрелистороз типа К15П1-3-100-В12 и К£Ч1П-5-'1С0-В12. Измерение температур осуществлялось с использование!/. термопар типа хромель-копель и двекадцатиточзчных потен -циометрсв типа КСП4 и ПСР-1-Ч1. Точность измерений деформаций при повышенных температурах достигалось за счет применения термоксм-пенсированных тензорезисторов, схемной компенсации температурных приращений сопротивления тензорезисторов и введением поправок,определенных при равномерном нагреве модели. Для обработки экспериментальных данных применялась программа "Тензометрия", составленная на алгоритмическом языке "Фортран".

Теоретическое исследование ЩС моделей проводилось с использованием алгоритма, реализованного в программе РАМОК ( ЗСОЗО) (разработана под руководством В.И.Мяченкова). При неосесимметрич-ном распределении температура оболочечньгх элементов ппедставля -лась в виде разложения в ряд Фурье по окружной координате. Закон изменения температуры при этом представляется в виде

где Л - амплитуда, /¡О) - функция изменения иеосескмметрнчной

составляющей rio окружности. ^

- (М-6) + Z BM-S¡n(M.9),

IT м=о

где Ам = % • coS(M-e) de ;

Off

а - 1 fJ/8)-$.¡n

~ ff J y - коэффициенты Фурье.

В работе сопоставлены экспериментальные и теоретические данные, полученные при нагружении моделей кольцевых аппаратов только избыточным давлением и при действии практически одного нагрева (рис. 2, 3).

Учитывая, что при эксплуатации имелись случаи потери устойчивости цилиндрических оболочек кольцевых аппаратов (что связывали с действием нагрева и избыточного давления) и то, что теория еще не позволяет учесть все реальные конструктивные и технологические факторы, в данной работе проведены экспериментальные исследова -ния устойчивости при комбинированном нагружении цилиндрической оболочки, работающей в составе кольцевого аппарата. Модель позволяла создавать начальные осевые усилия в цилиндрической оболочке

(за счет механического сжатия до 80 МПа) и внешнее давление. При 'этом каждая испытываемая оболочка являлась частью многосвязной конструкции, что отличает использованную конструкцию от известных.

При исследованиях устойчивости контролировались деформации и перемещения цилиндрических оболочек с использованием тензорезисто-ров и индикаторов часового типа. После изготовления с использованием микрометрического нутромера контролировались начальные прогибы цилиндрических оболочек.

В целом проведенные эксперименты и численный анализ показали, что для большинства зон при действии избыточного давления и нагре-Еа получено достаточно хорошее совпадение экспепинептальиих и теоретических данных до - (15...20) %.

При нагружен;1.» модели избыточным давлением наибольшие напряжения возникает в наружной цилиндрической оболочке корпуса в зоне приварки подкладного листа опорных лап. Для определения ВДС в зоне подкладных листов опорных лап необходимо использовать специальные методики.

При неравномерном нагреве теплоносителями моделей кольцевых аппаратов с рубашками разность средних температур между цилиндрическими оболочками порядка вызывает напряжения в оболочеч-ных элементах их соединяющих в два и более раз превышающие напряжения, которые возникают при нагружен»« давлением. Наибольшие напряжения при подаче теплоносителей возникают в зонах сопряжения плоского кольца рубашки с цилиндрическими оболочками. Меньшие напряжения возникают в торовых элементах штампованного днища корпуса. Эти напрякени° возникают в зонах краевого эффекта и являются изГибными. Окружные напряжения при нагреве (охлаждении) в 2-3 раза меньше меридиональных. Напряжения по окружности не являются постоянными из-за неравномерного нагрева элементов. При подаче горячего теплоносителя в корпус экспериментальные значения напряжений в кольцевой пластине в зоне приварки ее к цилиндрической оболочке рубашки ниже теоретических. Как показывает анализ, это является следствием действия остаточных напряжений.

При исследовании устойчивости экспериментально получено, что сжимающие осевые усилия мало влияют на значение внешнего критического давления при комбинированном нагружении. При этом для семи оболочек, изготовленных по типовой технологии, получено увеличе -ние внешних критических давлений до 20 % по сравнение с данными ГОСТ 14249-80 при коэффициенте запаса /?у= I. По сравнению с классической формулой Саусвелла-Папковича получено снижение внешних < критических давлений от 12,8 до 22.5 %. Получено, что общие несовершенства формы в виде овальности цилиндрических оболочек оказы-

ва-з 1- большее влияние на критические нагрузки по срарниниа с местными несовершенствами в вице прогибов от продольных сварных швов.

В третьей главе изучается ЦЦС кольцевых аппаратов при неустановившихся режимах нагрукения при подаче пара в рубааку, а холодной воды в корпус, и также при действии неосесимметричного пульсацйонного давления.

Ожидалось, что максимальная разность средних температур цилиндрических оболочек возникает именно и переходный перчод, что вызовет напряяення гораздо большие, чем при статическом режиме. Измерения проводились для двух режимов, ограничивающих реальные: при полностью открытых выходах из рубанки полностью закрытых. При этом контролировались температура и деформации точох модедеП, изменение давления в рубазке. Для записи выходных сигналов тензо-резисторов использовались как цифровые приборы ЦТы-5 и 1ЩЦ-1(врг-мя одного измерения которых не превышает 1,5 секунды), так и осциллограф НП5 с усилителем ТЛ-5 (с записью выходных сигналов на фотобумагу УФ-67-100). Полученные ка двух моделях результаты серии экспериментов показали, что в переходный период нагрудения при подаче пара в рубазку деформации оболочачных элементов возрастают достаточно плавко вследствие конденсации пара и соизмеряй с деформациями в установившемся режиме. Полученное распределение температурных полей и деформаций в переходила режимах предложено для'учета при расчетах на прочность и для сравнения с теоретическими тепловыми расчетами, которые применительно к кольцевым аппаратам необходимо развивать.

Конструкция кольцевых пульсационных аппаратов, наведших широкое применение при перемешивании и растворении, отличается наличием продольных пластин, образующих два пелукольцевых пространства. При этом одно полукольцевое пространство вверху.в первый момент времени связано с источником сжатого воздуха, а другое со сдузкой.

В следующий момент (с частотой до 70 пульсаций з минуту) ута свяяь

о

меняется. Общее число циклов доходит до // = Ю , что призодкт к необходимости определения циклической прочности. Разность давлений в полукольцевых пространствах призодит к неосесимметричному деформированию всей конструкции (рис. 4). Результаты численного анализа с использованием программы РАМОК ( 5СОЗО) и разложения нагрузки в ряд Оурье по окружной координате позволили определить характер ■деформирования оболочечных элементов и показали, что 1ЩС кольцоеых аппаратов при пульсационном неосесимметричном кагруженш; изб&точ -ним давлением ¡¡есамоуразновеяенного действия определяется разностью давлений в пульсационной и сдувочной полостях. Для реальных аппаратов эта разность давлений из условий обеспечения ц;'.:-:л;1чес:сой долговечности обычно не должна превышать 0,010-0,015 ¡.'На. Анализ численных результатов вилвил наиболее опасные элементы и показал, что при большом число циклов нагружения и сравнительно невысоком уровне напряжений (меньле продела текучести) и :сс амплитуд, долгозеч -¡¡ость пульсационных аппаратов определяется также уровнем оотаточ -них напряжений. Поэтому согласно имеющимся методам учета сстатсч -ных напряжений (нормам расчета оборудования АЗС) вакиой является задача определения характера их распределения.

Для снижения уровня и амплитуд напряжен;:;'; в пульсационных кольцевых аппаратах в работе предложена; конструкция, позволяющая осуществить самоуравновешивание усилий, действующих в диаметрально -противоположно расположенных полостях (рис. 5). Эта конструкции защищена авторским свидетельством и позволяет до 10 раз увеличить разность давлений в пульсационных полостях, что повышает надеж -ность рассматриваемых аппаратов.

Наличие продольных пластин приводит к неосесимметричности конструкции пульсационных кольцевых аппаратов. ВДС которых в зоне сопряжения уже не описывается уравнениями осесимметричных тонких •

оболочек. Для того, чтоб» упростить задачу и применить известные алгоритмы для ЭВМ в работе предложено использовать подобное моделирование, позволяющее свести определение НДС неосесимметрич -ной конструкции к осесимметричной. При этом используется то, что значения напряжений в отдельно взятых цилиндрических и торовых оболочках, нагруженных давлением, при радиусе круговой оси тора в несколько раз больше радиуса цилиндра близки друг к другу.

3 работе анализируются усилия, возникающие в зоне сопряже -ния продольной пластины с цилиндрическими оболочками (рис. 6 ). Сопоставляются перемещения и напряжения в отдельно взятых цилиндрических и торовых оболочках на основе использования решений как безмоментной, так и моментной теории оболочек. На основе анализа предложено зону сопряжения продольной пластины с шлиндри -ческими оболочками (оригинал) смоделировать сопряжением торовых оболочек с кольцевой пластиной (модель), расположенной в зоне экваторов. Расположение кольцевой пластины вне зоны экваторов приводит к ее изгибу из своей плоскости даже при действии равномерного давления и нагрева, что противоречит оригиналу. Аналиэиру -ются условия подобия оригинала и модели: подобие (сходственность) математического описания и равенства независимых критериев подобия. Показано, что основные уравнения, описывающие состояние оригинала и модели, (равновесия, связи деформации и перемещений, связи деформаций и напряжений) и при некоторых допущениях (пре -небрежении сдвигающими усилиями, действующими по кромкам продольных пластин по вертикали) подобны. Указанное допущение принято в силу того, что продольные пластины воспринимают только часть общих сдвигающих усилий по вертикали совместно с верхними и нижними элементами кольцевых аппаратов.

Для получения масштабных уравнений использовался способ крн-терг.ер подобия, на осн >ре которого установлена однозначность г.е-

рвмзясний оригинала и модели в рассматриваемых точках. Масштабное уравнение при = I получено в зиде

™б/тг ~ < >

где тш = т - - т _ Ж!.. т - - масштабы;

V/ - перемещения по нориали; 5 - напряжения; £ - модуль упругости; Z - радиус; ¿4, Г - индексы для цилиндра и тора; прив - индекс для приведенных напряжений.

Однозначность перемещений рассматриваемых точек позволяет показать подобие уравнений совместности деформаций узла сопряже -ния для модели и оригинала. Предложенная модель позволяет выполнить подобие физических характеристик, граничных условий и нагрузок и обеспечить равенство определяющих величин с оригиналом. В работе приведены результаты моделирования с использованием известных алгоритмов и сравнение с результатами экспериментальных исследований при действии равномерного давления. Показывается,что предложенная модель справедлива также и при действии нагрева, нерав -номерного давления и позволяет учесть сдвигающие усилия.

Четвертая глава посвящена экспериментальному определении остаточных напряжении на материальных моделях кольцевых аппаратов, а также численному моделированию этих напряжений в кольцевых аппаратах. Экспериментальные исследования проводились на крупномасштабных моделях, изготовленных по типовой технологии из стали 12Х18НЮТ. Для измерения остаточных деформаций применялся механический метод освобождения с использованием тензорезисторов. Измерения проводились в зонах сопряжения цилиндрических оболочек со штампованными и плоскими кольцевыми днищами (там где известны слу-•чаи образования трещин), а также на уровне расположения опорных лап (там где при исследовании ВДС получено расхождение теоретических и экспериментальных данных).- Освобождение провопили путем зк-

полпенни прорезей около мест наклейки тензорезисторов. Результаты экспериментов выявили характер распределения остаточных напряже -ний (рис. 5) и их достаточно высокий уровень (достигает предела тскучести). Окружные остаточные напряжения в зоне сварных швов ¡лтамлозанного днща и цилиндрических оболочек на внутренних и наружных (по отношению к оси симметрии) поверхностях являются растягивающими. меридиональные остаточные напряжения на внутренних поверхностях являются растягивающими, а на наружных - сжимающими. Внешний торовый элемент штампованной крышки на наружной поверх -ности растянут, внутренний торовый элемент, как показала серия измерений, сжат под воздействием остаточных напряжений. Плоская кольцевая пластина рубанки на внешних поверхностях растянута. Остаточные напряжений средней цилиндрической оболочки в зоне СЕар -ного соединения с плоской кольцевой пластиной со стороны действия рабочих сред оказались сжимающими, а на внешних - растягивающая.

Для моделирования остаточных напряжений применен экспериментально-теоретический метод, основанный на использовании "фиктив -ьих" моментов и температур. Дри этом, при решении термомеханичес-кей задачи зависимость между объемами продольного укорочения и фиктивными температурами Хрц«т ^пользовалась в виде

V* = 3-с1-Т<рикт

где ¡Л - коэффициент температурного расширения, ¿¡р - ширина распределена фиктивных температур, /? - толщина.

Значение определяется распределением максимальных температур при спарке и корректируется на основе экспериментальных данных о распределении остаточных напряжений. Распределение максимальных температур определяется на основе теории тепловых процессов при сварке.

При рвиенли осос;!.\метр;:чпсй деформационной задачи испвльзо-

валась система шести д;;:ф^р|.-нциальных уравнении-первог о понядка вида

Сл £ /¿'Ъ /¿'2

г* г

■ СО&

Средние по толщине температуры (-£0 ) определяют изменение объема металла в зоне сварного шва. Угловые деформации, возникающие в результате, например, неполного проплавления или неодновременности заполнения разделки учитываются заданием перепадов температур по толщине ( Д.^) для стыковых и распределенных моментов ( т ) для угловых соединений. Полученные экспериментально в данной работе значения угловых деформаций совпадают с имеющимися обобщенными данными, например,у С.А.Кузьминова. Это позволяет использовать предложенную методику моделирования для достаточно широкого класса конструкций.

Зависимость между угловыми деформациями и значениями и /77 выражается с использованием соотношений теории оболочек. Например, действующий температурный моментМу и распределение температуры Т связаны зависимостью И/г.

При линейном распределении фиктивных температур по толщине

где Т0 - температура на поверхности оболочечного элемента.

Для определения температурного момента М-р используется решение краевой задачи при нагружении торца цилиндрической оболочки сосредоточенным моментом(согласно, например, В.Л.Бидерману). 3 работе подробно рассмотрено моделирование остаточных напряжений

{¡I = Та = 6.А7г-( *-/*)/£•<<■ Л

г

А

со всех перечисленных выше зонах :<а исключением зоны опорных лап, для которой необходимо применять специальные методы, на которые дана ссылка. Разработанная методика предложена для использования при разработке технологических процессов по созданию благоприятного распределения остаточных напряжений в конструкциях со сложной геометрией.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В работе проверена достоверность методов расчета на прочность, обеспечивающих надежность целого класса аппаратов для отрасли, связанной с переработкой делящихся материалов. Установлено, что при статическом воздействии теоретические результаты.пс-лучаемпе с использованием известных алгоритмов, дшэт в осноэком удовлетворительное (до 20 %) совпадение с экспериментальными. Выявлены зоны в которых наблюдается существенное расхождение: . знна опорных лап и зона стыка плоского кольца с цилиндрической оболочкой рубашки. Выявлено определяющее влияние нагрева на НДС кольцевых аппаратов. Получены экспериментальные данные о распределении температур' и деформаций в переходный период при подаче пара в рубашку.

2. Изучен характер ЦДС кольцевых пульсационных аппаратов. Определены их наиболее напряженные оболочечные элементы. Предложена конструкция кольцевого пульсационного аппарата, защищенная авторским сведетельсгвом, позволяющая в 5-10 раз увеличить разность давлений в пульсационных полостях. Предложена эксперимен -тально проверенная методика моделирования ВДС в зоне сопряжения продольной пластины с цилиндрическими оболочками, сводящая решение неосесимметричной задачи к осесимметричноЯ, позволяющая автоматизировать расчеты.

3. ¡'сследован.ч устойчивость цилиндрических оболочек кольце-

aux аппаратов. Выявлено, что стосныыо ооег-чх температурных деформаций незначительно (до lö fj) уменьшит величину ьнедксго критического давления при комбинированном нагружении. Получено, что общие несовершенства формы в виде овальности оболочек больше г«лилют на критические нагрузки, чем местные прогибы от продольных сварных соединений,

4. Экспериментально исследовано распределение остаточных технологических напряжений в крупномасштабных моделях, необхо -димое при оценке циклической прочности. Выявлены наиболее опасные зоны в которых остаточные напряжения способствуют усталостному разрушению. Предложена методика моделирования остаточных напряжений в кольцевых аппаратах, основанная на задании в ха-paitiepHux сечениях "фмйтншме" моментов и температур. Зга методика может быть ииподьчованл для определении характера распре -дслзня ■ остаточных напряжений и в других аппаратах со сложной геометрией, а также для разработки технологических процессов г,о регулирования уровня остаточных напряжений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следуицих работах.

1. Кудряшов А.Н.. Корепанов'Г.К. Напряженно-деформированное состояние кольцевых монжюсов//псследование пространственных конструкций: Межвузовский сборник, вып.4. - Свердловск: изд.УПИ им. С.'¿.Кирова, 1933. - С.58-64.

2. Карпунин В.Г., Кудряшов А.Н., Корепанов Г.К. Применение ЭВМ для исследования напряженно-деформированного состояния кольцевых аппаратов радиохимических производств. - Специальные вопросы атомной науки и техники. Сер. Радиохимия, вып.1(6), Л.: HÎ, №2. - С.34-35(ДСП).

3. Ьудря.цов A.n., Карпунин В.Г. Исследование температур»» ч л де<1к.£|.!ациснкых полей в стенках Кольцовых аппаратов ¿пан ¡-

них производств при переходных режимах разогрева. - Специальные вопроси атомной науки и техники. Сер.: Радиохимия, нау.-техн.сб. -М.: ЦНШТО.'.ШМРМ, вып. 2(37) .1966. - С. 67-70 (ДСП).

4. Климанов В.П., Кудряаов А.Н. Экспериментальное исследо -вание оститочних напряжений в кольцевом тонкостенном аппарате// Исследование пространственных конструкций: Межвуз.сб. - Сверд -ловск: изд. УШ им.С.Ы.Кирова, 1907. - С.6Ь-70.

5. Кудряиов А.Н., Климанов В.И., Карпунин В.Г. Эксперимен -тальное исследование устойчивости цилш|дрическ»ос оболочек коль -цевых аппаратов при нагружении внешним давлением и осевым сжатием / СгердННИхиммаа, Свердловск, 1967. - / Рукопись деп. в ЦН>и1-АГи:ШЮга в 1937 г.. К РД-1б/3'«3 ДЕЛ/.

6. А.С. Г 1429395 (СССР). Аппарат для проведения химических процессов / А.Н.Кудряшов, И.М.Валэкин. - Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 09.06.1?-68.

7. Современные проблемы прочности и долговечности сосудов оадиохимических производств / Т.К.Волкова, В.Г.Карпунин. А.Н.К.УД-ря1,ов. - Специальные вопросы атомной науки и техники. Сер.: Ва -лиохиния, научм.техн.сб. - ).;.: ЦНИИАТОМЮгОРМ, вып.4(47), 1938.-С.71-76(ДСП).

Рис. I

Рис. 3.

Р,>Р;

Рис. 4.

Рис. Г).

"Л мн Í

3

n

N.

'28

N.

4 S

vi

» I I I f I

N,

1H

2 Aj'* " \1 '

16

"V

f !

¿5 i

/V,

ie

рис. б

Рис. 7.