автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальный анализ прочности цилиндрических стенок автоклавов высокого давления

На правах рукописи

Еловенко Денис Александрович

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СТЕНОК АВТОКЛАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 ОПТ 2012

Иркутск-2012

005053363

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Информатика и кибернетика» ФГБОУ ВПО «Байкальский государственный университет экономики и права»

Научный руководитель: Репецкий Олег Владимирович, доктор технических наук,

профессор, проректор по международной деятельности и научной работе НОУ ВПО «Восточно-Сибирский институт экономики и права»

Официальные оппоненты: Крюков Андрей Васильевич, доктор технических наук,

профессор, профессор кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машиностроительные технологии и материалы» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная

техническая академия»

Защита состоится 16 октября 2012 г. в 15 часов на заседании диссертационного совет Д212.070.07 при ФГБОУ ВПО «Байкальский государственный университет экономики : права» по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, д. 24, зал заседаний ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Байкальский государ ственный университет экономики и права» по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 11 БГУЭП, корпус 2, аудитория 101.

Объявление о защите и автореферат размещены 13 сентября 2012 г. на сайте ВАК Мини стерство образования и науки РФ (http://vak.ed.gov.ru) и на официальном сайте ФГБО^ ВПО «Байкальский государственный университет экономики и права» (www.isea.ru).

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 11, ученом; секретарю диссертационного совета Д 212.070.07.

Автореферат разослан Щ сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Т.И. Ведерников;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. В настоящее время на химических производствах сходятся в эксплуатации большое число автоклавов, работа которых включает высокое явление и температуру, что является необходимым технологическим условием обеспе-гния требуемых параметров рабочей среды. Основным конструктивным элементом ав-эклавов высокого давления являются цилиндрические стенки, которые могут иметь мо-элитное или многослойное исполнение.

Разработка и исследование новых конструкций цилиндрических стенок для создания элее совершенных автоклавов высокого давления является актуальной научно-:хнической проблемой. Ее решение позволит создавать и использовать новое промыш-гнное оборудование, а именно, автоклавы высокого давления, которые поднимут на но-ый уровень качество продукции химических производств, получаемой в этом оборудо-

1НИИ.

Вопросами математического моделирования и расчетов для анализа и оценки прочно-ги цилиндрических оболочек и сосудов с многослойными стенками занимались 1.Б. Блох, В.В. Болотин, A.B. Гадолин, Н.Ф. Дроздов, B.C. Никишин, Ю.Н. Новичков, '.В. Репецкий, Г.С. Шапиро и др. Контактная податливость и контактная теплопровод-ость многослойных конструкций впервые была учтена в работах В.Н. Жукова, Л.А. Иль-на, H.A. Лобкова, П.Г. Пимштейна, математическое обоснование методов расчета было редложено в работах Л.Б.Цвика и др. Исследованием и конструированием занимались в ША Т.М. Jasper, в СССР М.И. Бейлин и др.

В работе использованы результаты экспериментов, полученные в ОАО «Иркутск-ИИхиммаш» под руководством П.Г. Пимштейна и его научно-технические консуль-

1ЦИИ.

Целью диссертационной работы является разработка расчетных методик, алгоритмов программного обеспечения для исследования напряженного состояния, оценки прочно-ги и работоспособности новых конструкций цилиндрических стенок со встроенными на-эевательными элементами и слоем теплоизоляционного материала в автоклавах высоко-5 давления.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

— численное исследование процессов контактного взаимодействия дистанционных ланок нагревательных элементов с сопряженными компонентами стенки и оценка их наряженного состояния;

— разработка численных методов для расчета тепловых полей и напряженно-еформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом собенностей контакта слоев;

— разработка алгоритмов и комплекса проблемно-ориентированных программ для асчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенке автоклава;

— проведение экспериментальных исследований упругих теплоизоляционных мате-иалов на простых моделях; математическое обоснование эффективности применения те-лоизоляционных материалов на основе исследований их теплофизических характеристик опытной модели оболочки, а также аналитическая интерпретация результатов этих экс-ериментов;

— разработка аналитической методики для определения наиболее благоприятных па-аметров новой конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными тементами и теплоизолирующим слоем с учетом обеспечения требуемых параметров ее аботоспособности.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы и алгоритмы теории упругости, теплопроводности, механики деформируемого твердого тела и др. При экспериментальных исследованиях применялись специальные установки и сборные опытные конструкции. Численные исследования основаны на применении метода конечных элементов (МКЭ) и развитых методах численного анализа для исследуемой проблемы.

Достоверность полученных численных и аналитических результатов исследований подтверждена сравнением с аналогичными исследованиями других авторов, а также с результатами собственных экспериментов.

Научную новизну работы составляют следующие положения, выносимые на защиту:

1) эффективная методика численного исследования контактного взаимодействия дистанционных планок и сопряженных элементов стенки автоклава для оценки их прочност ных характеристик и оптимизации геометрических параметров;

2) численный метод, позволяющий вести расчет тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетол особенностей контакта слоев;

3) алгоритм, и комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета тепловьп полей и напряжений цилиндрической стенки автоклава;

4) аналитический метод расчета, интерпретирующий результаты экспериментальны; исследований теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов на про стых моделях, а также в модели сборной цилиндрической стенки со встроенной теплоизо ляцией;

5) метод определения наиболее благоприятных параметров работоспособной конст рукции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и слоед теплоизолирующего материала на основе математического моделирования и полученньс аналитических решений.

Практическая значимость работы.

1. Предложен численный метод для расчета тепловых полей и напряженно деформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с у чего л особенностей контакта слоев.

2. Разработан комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета тепловьп полей и напряжений цилиндрической стенки автоклава позволяет проводить анализ дан ного конструктивного элемента автоклавов на стадиях разработки и проектирования.

3. Выявлены зависимости напряженного состояния конструктивных элементов степи автоклава, сопряженных с дистанционными планками нагревательных элементов, на ос нове которых сформирован комплекс рекомендаций по оптимизации геометрических па раметров стенки.

4. На основе экспериментальных исследований получены зависимости упругой де формации теплоизоляционных материалов от давления и определены их модули упруго ста. На основе исследований теплофизических свойств этих материалов и получены ана литические решения, с помощью которых обоснована эффективность применения встро енной теплоизоляции.

5. Разработан аналитический метод определения наиболее благоприятных параметра работоспособной конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательным! элементами и слоем теплоизолирующего материала на основе математического моделирования.

Результаты, полученные в работе, использовались при выполнении НИР и разработке конструкторской документации эскизных проектов в Иркутском научно-исследовательском и конструкторском институте химического и нефтяного машино-

от; - ия ОАО «ИркутскНИИхиммаш», г. Иркутск, ОАО Южноуральский завод «Кри-■ .л», г. Южноуралъск, а также в учебном процессе кафедры «Мехатроника» Нацио-ального исследовательского Иркутского государственного технического университета и афедры «Теоретическая и прикладная механика» Иркутского государственного универ-I I ста путей сообщения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и Осуждались на конференциях и семинарах кафедры «Информатики и кибернетики» ЭГБОУ ВПО Байкальского государственного университета экономики и права; кафедры Мехатроника» ФГБОУ ВПО Национального исследовательского Иркутского государст-знного технического университета; межвузовской научно-практической конференции в : Иркутском государственном университете путей сообщения (секция «Информационные гхнологии и проблемы математического моделирования сложных систем»); ОАО Юж-оуральский завод «Кристалл» г. Южноуральск, и в ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Ав-. зр диссертационной работы удостоен стипендии Правительства Российской Федерации :а 2011/2012 учебный год.

Сведения о публикациях. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 9 публикациях из списка ВАК и одном свидетельстве : государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения, списка литературы из 120 наименований. Общий объем диссертации составляет 217 страницы, включая 85 рисунков, 12 таблиц и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены объект и пред-ет исследования, сформулированы цели, задачи и методы их решения. Также приведены ыносимые на защиту положения и краткое содержание работы по главам. В первой главе сделан анализ основных этапов создания и развития сосудов и автоклавов высокого давления с многослойными цилиндрическими стенками в нашей стране

1 за ее пределами. Приводятся известные принципы и методы исследования, математиче-кого моделирования и оценки прочности многослойных цилиндрических конструкций : акого типа.

Из анализа литературных источников следует, что дальнейшее увеличение единичной ощности и надежности современных автоклавов высокого давления невозможно без азработки комплексной методики исследования и внедрения новых конструкций цилин-рических стенок, способных работать при значительно более высоких технологических араметрах температуры и давления.

Во второй главе

описан эксперимент по исследованию лабораторной конструкции автоклава высокого давления со встроенными в корпус нагревательными элементами (рис. 1).

На основании экспериментальных иссле-Рис. 1. Общий вид экспериментальной модели автоклава дований напряженно-еформированного состояния при упругом нагружении внутренним давлением, а также

исследовании распределения температурных полей показана работоспособность лабораторной модели автоклава. Предложены численные методы для расчета тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной несущей части стенки автоклс. вов с учетом особенностей контакта слоев. Этот метод реализует поочередное решение статической и тепловой задач контакта концентрически расположенных слоев в много слойной цилиндрической станке автоклава.

Двухшаговый итерационный процесс решения статической задачи, в котором на каждой итерации поочередно на радиусах контактирующих поверхностей определяются перемещение и и давление р, имеет вид

и(2т+1)|, = и(2"°|, (р<2°"|(р<2т>|,)+ А,. + (1-а).Ди(2"°, т>0, (Г

р'2т)= р'2т'\ (г/(2шЧ)|Г|)+ а ■ Др'2"1"1', т > 1. (X

где 8Г - величина сближения контактирующих слоев на радиусе г,; Д - величина ради ального натяга.

В выражении (1) невязка сопряжения перемещений на контактном радиусе определяется как

Дм = м|г_ -й|г> , (3;

а в (2) невязка контактных давлений имеет вид

ьр=р\,_-р\г., (4;

где г+ и г означают, что на контактном радиусе г, рассматриваются величины, относя щиеся к внутреннему (/') и наружному слою 0+1) (рис. 2а) соответственно.

Двухшаговый ите рационный процес< решения тепловой задачи, в котором и; каждой итерации по очередно на радиуса?: контактирующих по верхностей определяются линейный тепло вой поток через стенку >7/ и температура 7. имеет вид

«Г» = <7,<2га,Ц )+ а - «) ■ А яГ ,т>0, (5;

где §Т- перепад температуры по контакту между базовыми поверхностями.

В выражении (5) невязка линейного теплового потока на контактном радиусе определяется как

^¡¡=ч\1»_-ч\ и, (7)

а в (б) невязка температуры имеет вид

Д Тк=Тк\,_-Тк\г^, (8}

где/+ и у I/. означают, что в области контакта двух слоев (рис. 26) рассматриваются величины, относящиеся к внутреннему (/) и наружному слою (/'+/) соответственно.

Рис. 2. Расчетная схема для некоторой пары слоев многослойной стенки, нагруженной постоянным давлением - а, и тепловым полем - б.

Также в этой главе описан одношаговый итерационный процесс решения статической л со спуском по перемещениям и

„(»>1 ^ (р«)=Д1<(->> т > о (9)

р""+1) = р"")+а-Аи""',т>0, (10)

ю контактным давлениям р

р{т) | {и(т))- р(т) | Г1_ («'"') = Др(и) ,т> 0, (11)

м(™+1) =и{т)+ дп (р(и)|,)- Д, + а ■ Арт) ,т>0, (12)

диалогичный процесс решения тепловой задачи со спуском по температурам Т

т > 0, (13)

д<т+1)=д™+а-АТкм,т>0, (14)

ю линейным тепловым потокам <37

(15)

(16)

, <«+1, - 7- <-> + ^ . 9(с»> + а. д?(<») >т>0,

гр "П -Ч _ уи I

\iRk- термическое сопротивление.

Последняя часть второй главы содержит описание разработанных алгоритма и про-1ммы для комплексной оценки прочности цилиндрической стенки автоклава высокого вления со встроенными нагревательными элементами.

В третьей главе проведен анализ контактного взаимодействия дистанционных планок гревательных элементов и сопряженных с ними конструктивных элементов сборной линдрической стенки автоклава методом конечных элементов на базе программного мплекса МБС.Магс Меп1а1 2010 (лицензия № К.Е0085318Я 17.10.11. МШРБ.), который ш предоставлен учебной лабораторией ИрГУПСа. Для задачи контактного взаимодей-зия дистанционных планок со стенкой, расположенной за нагревательными элементами : направлении увеличения радиуса) рассмотрена плоская задача сопряжения типа штамп упругая полуплоскость (рис. За). Задача решена для вариантов с жестким и упругим ампом, а также для случая, когда воздействие штампа на сопряженный элемент можно иближенно заменить действием постоянного давления, эквивалентного по своей великие контактному. Аналогичный анализ проведен и для опытной конструкции (рис. 1), с нолитной несущей стенкой (рис. 36).

МММ

МММ

-ЯШ-

(

б>

ю. 3. Приближенная расчетная схема взаимодействия планок с цилиндрической стенкой автоклава -а, и реальная КЭМ - б

Рис. 4. Относительная неравномерность распределения радиальных напряжений в стенке автоклава высокого давления

Для оире„ толщины стенки за нагревателями, При К01 рой будет достигнут равномерное распределение радиальных напряжений на опредс ленном радиусе (в ну ренний радиус теплоизоляции), введено понятие относительно": неравномерности эти-напряжений при у/Ъ = const, величина которс го определяется п формуле Ар

£ = -100%, (17;

Р ср

где Арср — абсолютна неравномерность сред него значения напряжений, имеет вид

, (н:

п

а среднее значение напряжений на расстоянии 2а+Ь, определяется как

Рср=Мп~' (,<

Здесь п — число контрольных точек по оси х с постоянным шагом в, которых фиксируютс значения напряжений на КЭМ.

Таким образом, получены графические зависимости (рис. 4) для вариантов жестких планок - 1, двух и четырех упругих - 2 и 3 соответственно, постоянного давления - 4, согласно схеме (рис. За), а также для опытной конструкции - 5 (рис. 36).

Третья глава также содержит исследование контактного взаимодействия дистанцион ных планок нагревательных элементов с внутренней стенкой автоклава, которая образуе рабочее пространство и определение оптимальной формы планок. Было доказано, что с увеличением расстояния между дистанционными планками, возрастание эквивалентны напряжений в зоне их максимального значения, стремится к линейному закону. Следов; тельно, наилучшим решением стало размещение только одного нагревательного элемент между дистанционными планками. Появление локальных всплесков напряжений, которы имеют место на границе контактной и свободной зоны наружной поверхности стенк (рис. 5), вызвано прямоугольной формой поперечного сечения планок. Решением это проблемы стало применение нового профиля поперечного сечения планок, который имее обратный радиус закругления свободных поверхностей планки с одновременным увеличением их контактных поверхностей. Результаты исследований показывали, что величин радиуса 0,41 (рис. 6), позволяет снизить скачок радиальных напряжений на 33%, кольце

вых - на 13,7%, на наружной поверхности по сравнению с исходными величинами (рис.

центральной стенки автоклава в прямоугольной постановке

Рис. 6. Расчетная схема и график напряжений, возникающих на наружной поверхности центральной стенки автоклава в прямоугольной постановке

В четвертой главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований неметаллических теплоизоляционных материалов. В главе исследованы характеристики упругого деформирования шамотного порошка, асбеста, микросфер из шлака и корундового порошка. По кривым упругого деформирования определены модули упругости теплоизоляционных материалов.

Также построена математическая модель тепловых процессов при экспериментальном исследовании теплофизических свойств теплоизоляционных материалов. На лабораторной установке, приспособление которой показано на рис. 7 по специальной методике было испытано три образца из щамотного порошка с начальной толщиной 4,2; 5,2 и 4,7 мм; три образца из асбеста с начальной толщиной 5, 10 и 3 мм; и три образца из корундового порошка толщиной 3,9; 4,5 и 3,7 мм.

Учитывая, что величины термического сопротивления и теплового потока функционально связанные, тепловой поток, направленный вдоль основного стержня, считается постоянным и определяется моделью вида

Чі =-

1

-Ті 2)

/о /, л

(20)

V "1 "б "8 '12 У

где Я; и - коэффициенты теплопроводности материала верхнего и нижнего цилиндров при соответствующей температуре; ¡1, 16 — расстояния от нижнего торца верхнего цилиндра до его соответствующих термопар; 18, 1ц - расстояния от верхнего торца нижнего цилиндра до его соответствующих термопар; Т/, Т6, Т8, Тц - показания соответствующих термопар.

Коэффициент теплопроводности исследуемого материала находится как

ЧАг

(21)

К -

іл /і і

где

4 15

дм = 5ИЗ — толщина слоя исследуемого материала. Тепловой поток выражается через термическое сопротивление

Рис. 7. Схема приспособления для исследования теплопроводности теплоизоляционного материала

торое имеет вид

Ч,

Т -Т •ч 'и

К_4_А;

\ Я2

(22)

где

За

Я...

термическое сопротивление теплоизоляции, ко-

т-т„ т,-тл та-т„

А,

Ч,

Л

Л

(23)

Кривые распределения тепловых полей по длине составного стержня (рис. 7) приведены на графике для образца толщиной 5,2 мм из шамотного порошка (рис. 8а), а на рис. 8б - этого же образца, после десятикратного нагружения по схеме 0-48-0 кН. На рис. 8в и рис. 8г приведены аналогичные графики для образца из асбеста толщиной 5 мм, а на рис. 8д и рис. 8е - для корундового порошка толщиной 4,5 мм.

На рис.9а показаны зависимости коэффициента теплопроводности от давления для этих образцов, а на рис. 9б приведены аналогичные кривые после десятикратного нагружения теплоизоляционных материалов по схеме 0-38-0 МПа.

Анализ результатов показывает, что теплопроводность электрокорундового порошка с ростом давления значительно увеличивается. Давление мало влияет на теплопроводность асбеста и шамотного порошка. При этом коэффициенты теплопроводности шамотного порошка и асбеста близки по величине и в 3-4 раза меньше, чем у электрокорундового порошка.

Рис. 8. Распределение температурных полей по длине составного стержня / при разных значениях силы, воздействующей на теплоизоляционный материал

ул ■

«............................................ .................а I......................... : <:

| * » » » « ,, в 1!, Л К К.

а) б)

Рис. 9. Зависимость теплопроводности теплоизоляционных материалов от давления

В завершении четвертой главы на основе данных натурного исследования экспериментальной оболочки (царги) (рис. 10), разработан аналитический метод расчета тепловых полей и основной характеристики теплоизоляционного материала конструкции, которая состоит из обечайки 1, дистанционных планок 2, между которыми установлены тепло-электронагревателей 7, кожуха 5, теплоизоляционного материала 4, несущей части корпуса состоящей из разрезных конических колец 5 с углом 15° и монолитных колец 6.

Модель стационарного теплового потока через составную цилиндрическую стенку имеет вид

Чг

2 лАТ

Л

+ —ln| с

А..

(24)

Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного слоя определяется как

In

д.. =-

2лА Т

ы і ^

.Л

/л.

(25)

Температуры на внутренних поверхностях цилиндрических слоев оболочки (рис. 10) с наружной теплоизоляцией определяют по формуле

ч Л

2л

а без наружной теплоизоляции

а _ /• л

Рис. 10. Схема экспериментальной цар-ги диаметром 500 мм. На виде сверху показана схема расположения термопар: (1); (2) - термопары, расположенные на внутренней поверхности центральной обечайки; (4); (5) - термопары, расположенные на тепловой изоляции; (6); (7) - термопары, заключенные в разрезные кольца и расположенные рядом с термопарами (4), (5); (8); (9) -термопары, расположенные на наружной поверхности оболочки.

^вп ^ср

¡=к А

аг

2 л

(26)

(27)

Главной целью исследования было определение основной характеристики теплоизоляционного материала - коэффициента теплопроводности, который оказался равен 0,115328 Вт/м °С для слоя из асбеста, толщиной 9,4 мм и 0,05792 Вт/м °С для слоя из шамотного порошка толщиной 7 мм, а для этого же материала без наружной теплоизоляции — 0,09064 Вт/м °С. На рис. 11 сравниваются аналитические и экспериментальные кривые распределения те-

плового поля по толщине стенки за нагревательными элементами. Результаты проведенных расчетно-экспериментальных исследований доказали эффективность использования теплоизоляционного материала для защиты несущей части цилиндрических стенок от нежелательного перегрева.

Я.ул

■V ІУ.

б) • 1 ' в) - " " ' * 'ис. 11. Распределение тепловых полей в стенке оболочки с теплоизолирующим слоем (а — ;бест, б - шамотный порошок, в - шамотный порошок без наружной теплоизоляции царги)

В пятой главе предложена методика анализа для определения оптимальных параметров работоспособной конструкции цилиндрической стенки автоклава со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала. В ней использовано условие равенства радиальных перемещений сопряженных компонентов конструкции (рис. 12), которое имеет вид

а

(1 -мг>

ЕЛг

ЧІЇ^І Г * [Ж Е,} вії-,;)

' —Ш^ГГГ

В этой системе модуль упругости теплоизоляционного материала Е4, принимается на основании экспериментальных данных полученных в четвертой главе работы, а затем определяется модуль упругости дистанционных планок Е2, по методике, предложенной во второй главе с помощью интегрального условия равновесия

\<т]{Ра)с1г + \а?(Р0)*+ |а,5(Р0)^ = Р0г0,

П, 'г Ч

и системы уравнений, в которую оно входит в явном виде

(29)

(г, + 'оЛ

к -Го))

Р\г\м

І

Ж^)

Рл-Рл= о

-Рі к А +

('з+ГгЛ (гг~гі)

+ Р,\г3\м-

к

к

р\гАИ+

2 ) (Г5 + ГА Л (^-''з)

м{г,

2г,

'ЕМ)"

Д2-1 Р2-1

ДГг-^іЛ

Л(зо)

Учет влияния стационарного теплового поля в конструкции реализован на основании экспериментальных исследований лабораторной конструкции автоклава и опытной конструкции оболочки (царги), которые показали, что максимальная температура имеет место на внутренней поверхности слоя (3) (рис. 12), который расположен за нагревательными элементами. Такую же температуру нагрева Т0 имеют первые два слоя стенки, которые можно считать равномерно нагретыми и не имеющими температурного перепада между внутренними и наружными поверхностями.

ческой стенки автоклава высокого давле-

Тепловое поле, возникающее в сборной цилиндрической стенке автоклава (рис. 12) от нагревательных элементов, является осе-симметричным, а тепловой поток будет стационарным по толщине стенки от нагревательных элементов к наружной поверхности сосуда.

Если от теплового расширения стенки (3) (рис. 12) не обеспечивается гарантированное сжатие теплоизолирующего слоя (4), а следовательно и технологичность (упругая работа) всей конструкции, металл центральной стенки (1), должен иметь коэффициент теплового расширения больше других компонентов. Принимая во внимание изложенные факты, учет теплового поля в системе (16) реализуется как

а.О+^КГ.-ГЬ))

2 №) ЙШ .(31)

Шмг'г^ и к) еЖ-г})

іШі^і-іУ^-ЧМ1)"'"'

а,(\+/і)(Т0-Т(г,))

, а I

■м Ш

Тч

У У У : у у

У / / •' У /

.•'У ..........{......... Га

Рис. 13 График для выбора механических характеристик конструктивных элементов

я,<1 + ,,)(Г(г<)-Г(г5)) і и

+ 2

и; и) Ы.

Таким образом, были определены наилучшие параметры работоспособной конструкции цилиндрических стенок автоклавов, которые нашли отражение в графических зависимостях вариации геометрических параметров конструкции и свойств теплоизоляционного материала (4), как определяющего НДС конструкции (рис. 12) компонента (4) с учетом результатов его экспериментальных исследований.

На рис. 13 показана одна из таких зависимостей для внутренней поверхности стенки автоклава г0 (рис. 12) полагая, что линейное расширение элемента (3) в конструкции (рис. 12) от воздействия высоких тепловых нагрузок, которые неизбежно возникнут из-за при-

сутствия теплоизоляционного слоя (4), выполняющего свою функцию, будет достаточным для обеспечения надежного сжатия теплоизоляционного материала (4), требуемого технологическими условиями работы автоклава и коэффициент теплового расширения стенки (1) не будет отличаться от других компонентов конструкции.

На основе полученных в работе методов и алгоритмов математического моделирования новых конструкций цилиндрических стенок автоклавов, автором создан комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета и оценки прочностных характеристик исследуемых объектов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны методы численных исследований и расчета нестандартных узлов и компонентов сборных конструкций цилиндрических стенок автоклавов высокого давления на базе МКЭ.

2. Создан инструмент для расчета и анализа цилиндрических стенок автоклавов со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляции, имеющих многослойное исполнение, на базе разработанных алгоритмов и численных методов, реализо-¡анных в виде проблемно-ориентированного комплекса программ.

3. Проведены физические исследования теплоизоляционных материалов и разработа-ш методы математического моделирования и интерпретации этих процессов.

4. На основе математического моделирования предложены аналитические методы мо-¡елирования и расчета модернизированных стенок автоклавов, а также определения па-эаметров их работоспособных конструкций.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Еловенко Д.А. Перспективные направления развития автоклавов высокого давления / ХА. Еловенко // Вестник ИрГТУ. - 2010. - №1. - С. 277 - 279 (0,19/0,19).

2. Еловенко Д.А. Анализ напряженного состояния упругой полуплоскости, нагружен-юй постоянным давлением на ограниченных промежуточных участках с заданным пе-шодом методом конечных элементов на базе программного комплекса MSC.MARC / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА. - 2011. - №5. - С. 171 - 175 (0,30/0,38).

3. Еловенко Д.А. О рациональном проектировании дистанционных планок нагревательных элементов в автоклавах высокого давления / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Избегая ИГЭА (БГУЭП). Электронный журнал. - 2011. №5 http://eizvestia.isea.ru (0,36/0,44).

4. Еловенко Д.А. Исследование теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов для новых конструкций цилиндрических стенок автоклавов высокого давле-гая / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА. - 2011. - №6. - С.201 - 206 0,30/0,38).

5. Еловенко Д.А. К вопросу о расчете цилиндрических стенок со встроенными нагревательными элементами в автоклавах высокого давления / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА (БГУЭП). Электронный журнал. - 2012. №1 http://eizvestia.isea.ru 0,30/0,38).

6. Еловенко Д.А. Исследование под давлением оболочки со встроенными в стенку нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала / П.Г. Пимштейн, Д.А. Еловенко, А.Д. Татаринов // Современные технологии. Системный анализ. Модели-ювание. Иркутск: ИрГУПС. - 2011. - №4. - С. 17 - 22. (0,30/0,60).

7. Еловенко Д.А. Анализ контактного взаимодействия жестких штампов с упругой по-iyraiocKOCTbK) методом конечных элементов на базе программного комплекса

М5С.МАЯС / О.В. Репецкий, Д.А. Еловенко // Вестник ВСГТУ. Улан-Удэ: ВСГТУ. -2012. - №1. - С. 37 - 40. (0,20/0,25).

8. Еловенко Д.А. Исследование упругих характеристик теплоизоляционных материалов для цилиндрических стенок автоклавов высокого давления / Д.А. Еловенко, П.Г. Пим-штейн, О.В. Репецкий, А.Д. Татаринов // Известия ИГЭА. - 2012. - №2. - С.177 - 182. (0,20/0,375).

9. Еловенко Д.А. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и теплоизоляционным материалом в автоклаве высокого давления и анализ параметров ее работоспособности / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Известия ИГЭА (БГУЭП). Электронный журнал. - 2012. №2. http://eizvestia.isea.ru (0,30/0,375).

Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:

10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2012615150. Программа расчета напряженного состояния многослойных цилиндрических стенок и зоны их соединения сварным швом в сосудов высокого давления / Д.А. Еловенко, О. В. Репецкий, В.Н. Жукова // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2012 (2/1).

Статьи в других изданиях:

11. Еловенко Д.А. Экспериментальное исследование модели автоклава для гидротермального синтеза минералов / Д.А. Еловенко, П.Г. Пимштейн, О.В. Репецкий, Д.В. Татаринов // Вестник стипендиатов ДААД. - 2010. - №1 (7). - С. 11 - 19 (0,15/0,56).

12. Еловенко Д.А. Разработка программы для расчета температурных полей и напряжений в многослойной стенке сосуда высокого давления / Д.А. Еловенко // Применение математических методов и информационных технологий в экономике: Сборник научных трудов - Иркутск: Изд-во БГУЭП, 2011. - С. 40 - 45 (0,38/0,38).

13. Еловенко Д.А. Исследование влияния дистанционных планок нагревательных элементов и их конструктивных параметров на напряженное состояние центральной стенки в новых конструкциях автоклавов высокого давления / Д.А. Еловенко, О.В. Репецкий // Вестник стипендиатов ДААД. - 2011. - №1 (8). - С. 25 - 27 (0,10/0,20).

14 Еловенко Д.А. Анализ влияния дистанционных планок нагревательных элементов на неравномерность напряженного состояния несущей стенки сосуда высокого давления методом конечных элементов на базе программного комплекса МБС.МАЯС / Д.А. Еловенко, П.Г. Пимштейн, О.В. Репецкий // Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем. - Иркутск: ИИТМ ИрГУПС, 2011. - С. 79 - 83 (0,25/0,30).

Подписано к печати 11.09.12 г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 5185.

Отпечатано в ИПО БГУЭП

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОЗДАНИЯ, РАЗВИТИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА АВТОКЛАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ СТЕНКАМИ.

1.1. Обзор основных этапов создания и развития сосудов и автоклавов высокого давления с многослойными стенками.

1.2. Аналитический обзор методов математического моделирования и методов расчета многослойных компонентов и узлов цилиндрических стенок автоклавов.

1.3. Перспективы совершенствования и развития автоклавов высокого давления для синтеза материалов и выращивания кристаллов.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ МНОГОСЛОЙНОЙ ЧАСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СТЕНКИ КОРПУСА АВТОКЛАВА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ СО ВСТРОЕННЫМИ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.

2.1. Исследование экспериментальной модели автоклава высокого давления со встроенными в стенку корпуса нагревательными элементами.

2.1.1. Описание конструкции автоклава высокого давления.

2.1.2. Проведение испытаний автоклава, изготовленного из опрессованных царг.

2.1.3. Обработка и анализ результатов.

В настоящее время на химических производствах находятся в эксплуатации большое число автоклавов, условия работы которых включают высокое давление и температуру, что является необходимым технологическим условием обеспечения требуемых параметров рабочей среды. Основным конструктивным элементом автоклавов высокого давления являются цилиндрические стенки, которые могут иметь монолитное или многослойное исполнение.

Проблема разработки и внедрения в промышленность новых научных разработок является самой важной и актуальной в современной России. Решение сложных конструкторско-технологических задач, возникающих в ходе научно-технического развития области химического машиностроения, непрерывно нарастающие темпы технического прогресса по созданию более совершенных СВД в нашей стране и за рубежом требуют тесного взаимодействия науки с производством. В связи с этим, разработка и исследование новых конструкций цилиндрических стенок для создания более совершенных автоклавов высокого давления является актуальной научно-технической проблемой. Ее решение позволит создавать и использовать новое промышленное оборудование, а именно автоклавы высокого давления, которые поднимут на новый уровень качество продукции химических производств, которую получают в этом оборудовании.

Вопросами математического моделирования и расчетов для анализа и оценки прочности сосудов с многослойными стенками занимались (A.B. Гадо-лин, Н.Ф. Дроздов, Г.С. Шапиро, B.C. Никишин, В.В. Болотин, Ю.Н. Новичков, М.Б. Блох). Контактная податливость и контактная теплопроводность многослойных конструкций впервые учитывалась в работах (П.Г. Пимштейн, В.Н. Жукова, J1.A. Ильин, H.A. Лобкова), математическое обоснование методов расчета было предложено в работах (Л.Б. Цвик). Исследованием и конструированием занимались в США (Т.М. Jasper), в СССР (М.И. Бейлин). Исследование прочностных характеристик многослойных и монолитных стенок со встроенными нагревательными элементами, защищенных от нежелательного перегрева слоем теплоизолирующего материала, является центральной проблемой настоящей работы. Она также включает задачу выбора теплоизолирующего материала, определение возможности численного исследования нестандартных конструктивных элементов, необходимость автоматизации процесса расчетов стандартных компонентов и комплексное моделирование конструкции для выявления спектра ее оптимальных параметров.

Целью диссертационной работы является разработка расчетных методик, алгоритмов и программного обеспечения для исследования напряженного состояния, оценки прочности и работоспособности новых конструкций цилиндрических стенок автоклавов высокого давления со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

- численное исследование процессов контактного взаимодействия дистанционных планок нагревательных элементов с сопряженными компонентами стенки и оценка их напряженного состояния;

- разработка численных методов для расчета тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев;

- разработка алгоритмов и комплекса проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенке автоклава;

- проведение экспериментальных исследований упругих теплоизоляционных материалов на простых моделях; математическое обоснование эффективности применения теплоизоляционных материалов на основе исследований их теплофизических характеристик и опытной модели оболочки, а также аналитическая интерпретация результатов этих экспериментов;

- разработка аналитической методики для определения наиболее благоприятных параметров новой конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и теплоизолирующим слоем с учетом обеспечения требуемых параметров ее работоспособности.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы и алгоритмы теории упругости, теплопроводности, механики деформируемого твердого тела и др. При экспериментальных исследованиях использовались специальные установки и сборные опытные конструкции. Численные исследования основаны на применении метода конечных элементов (МКЭ) и собственного развития методов для исследуемой проблемы.

Научную новизну работы составляют следующие положения, выносимые на защиту:

1) эффективная методика численного исследования контактного взаимодействия дистанционных планок и сопряженных элементов стенки автоклава для оценки их прочностных характеристик и оптимизации геометрических параметров;

2) численный метод, позволяющий вести расчет тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев;

3) алгоритм, и комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенки автоклава;

4) аналитический метод расчета, интерпретирующий результаты экспериментальных исследований теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов на простых моделях, а также в модели сборной цилиндрической стенки со встроенной теплоизоляцией;

5) метод определения наиболее благоприятных параметров работоспособной конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизолирующего материала на основе математического моделирования и полученных аналитических решений.

Практическая значимость работы.

1. Предложен численный метод для расчета тепловых полей и напряженно-деформированного состояния многослойной части несущей стенки автоклавов с учетом особенностей контакта слоев.

2. Разработан комплекс проблемно-ориентированных программ для расчета тепловых полей и напряжений цилиндрической стенки автоклава позволяет проводить анализ данного конструктивного элемента автоклавов на стадиях разработки и проектирования.

3. Выявлены зависимости напряженного состояния конструктивных элементов стенки автоклава, сопряженных с дистанционными планками нагревательных элементов, на основе которых сформирован комплекс рекомендаций по оптимизации геометрических параметров стенки.

4. На основе экспериментальных исследований получены зависимости упругой деформации теплоизоляционных материалов от давления и определены их модули упругости. На основе исследований теплофизических свойств этих материалов и получены аналитические решения, с помощью которых обоснована эффективность применения встроенной теплоизоляции.

5. Разработан аналитический метод определения наиболее благоприятных параметров работоспособной конструкции цилиндрической стенки со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизолирующего материала на основе математического моделирования.

Результаты, полученные в работе, использовались при выполнении НИР и разработке конструкторской документации эскизных проектов в Иркутском научно-исследовательском и конструкторском институте химического и нефтяного машиностроения ОАО «ИркутскНИИхиммаш», г. Иркутск, ОАО Южноуральский завод «Кристалл» , г. Южноуральск, а также в учебном процессе кафедры «Мехатроника» Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета и кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Иркутского государственного университета путей сообщения.

Личный вклад соискателя при получении основных результатов диссертации заключается в следующем:

- сбор и анализ данных о ранее проведенных исследованиях;

- развитие численных методов и разработка на их основе проблемно-ориентированного комплекса программ для расчета и оценки прочности цилиндрической стенки;

- выполнение комплексных численных исследований и анализа напряженного состояния конструктивных элементов, сопряженных с дистанционными планками нагревательных элементов в цилиндрической стенке автоклава, а так же выдача рекомендаций по их оптимизации. Автор работы самостоятельно изучил и освоил уникальный программный комплекс МБС.Магс Меп1а1 2010 до необходимого научно-исследовательского уровня, который был предоставлен Иркутским государственным университетом путей сообщения лицензия № 1^008531811 17.10.11.1ЮЦР8;

- разработка установки для исследования упругих и неупругих свойств неметаллических материалов. Проведение экспериментальных исследований упругих свойств теплоизоляционных материалов на простых моделях. Доказательство эффективности применения теплоизоляционных материалов на основе предложенных методов интерпретации результатов исследований их теплофи-зических характеристик, и опытной модели оболочки с помощью математического моделирования;

- разработка аналитического метода расчета и оценки работоспособности в широком спектре конструктивных параметров для цилиндрических стенок со встроенными нагревательными элементами и слоем теплоизоляционного материала в автоклавах высокого давления, который также реализован на программном уровне.

Достоверность полученных численных и аналитических результатов исследований подтверждена сравнением с аналогичными исследованиями других авторов, а также с результатами собственных экспериментов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах кафедры «Информатики и кибернетики» ФГБОУ ВПО Байкальского государственного университета экономики и права; кафедры «Мехатроника» ФГБОУ ВПО Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета; межвузовской научно-практической конференции в Иркутском государственном университете путей сообщения (секция «Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем»); ОАО Южноуральский завод «Кристалл» г. Южноуральск, и в ОАО «ИркутскНИИхиммаш». Автор диссертационной работы удостоен стипендии Правительства Российской Федерации на 2011/2012 учебный год.

Сведения о публикациях. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 9 публикациях из списка ВАК и одном свидетельстве о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

Результаты исследования теплофизических характеристик образца № 6 (асбокартон, исходная толщина 3 мм) Образец предварительно нагружен по схеме 0-38 МПа-0 при температуре

Давление Р, МПа Средний тепловой поток, q ккал/м'Ч Толщина образца, 3 мм Теплопроводность, X ккал/м-ч-°С Термическое сопротивление, я

0 41100 3,0 1,11 2,70

1,6 31900 2,95 0,74 3.98

4,8 33800 2,95 0,78 3,78

16,0 36100 2,85 0,83 3.43

32,0 37800 2,8 0,89 3.15

38,0 39200 2,8 0,92 3,04

32,0 39200 2,8 0,92 3,04

16,0 37800 2,85 0,90 3.17

4,8 34600 2,9 0,84 3.45

1,6 35200 2,95 0,87 3,39

0 30900 3,0 0,87 3,45

Давление Р, МПа Средний тепловой поток, q ккал/м'Ч Толщина образца, 3 мм Теплопроводность, X ккал/м*Ч'°С Термическое сопротивление, я

0 16500 3,9 0,89 4,38

1,6 18500 3,9 1,15 3,39

4,8 21000 3,85 1,53 2,52

16,0 27000 3,65 2,24 1,63

32,0 28000 3,55 3,11 1,14

38,0 29500 3,45 3,91 0,88

После десятикратной нагрузки по схеме 0-38 Мпа-0

0 21000 3,45 1,10 3,14

1,6 23000 3,45 1,35 2,56

4,8 25000 3,45 1,8 1,92

16,0 28000 3,44 2,68 1,28

32,0 29000 3,44 3,56 0,97

38,0 29500 3,43 3,89 0,88

0 20000 3,45 1,00 3,45

38,0 29500 3,43 3,74 0,92

32,0 29500 3,44 3,27 1,05

16,0 28000 3,44 3,01 1,14

4,8 25500 3,44 1,95 1,76

1,6 23000 3,45 1,47 2,35

0 20500 3,45 1,12 3,08

Давление Р, МПа Средний тепловой поток, q ккал/м-ч Толщина образца, 3 мм Теплопроводность, Л ккал/м-ч^С Термическое сопротивление, я

0 28800 4,5 1,20 3,75

1,6 32500 4,45 1,32 3,37

4,8 35300 4,4 1,62 2,72

16,0 41100 4,2 2,30 1,83

32,0 44200 4,0 3,10 1,29

38,0 48700 3,0 3,58 1,09

После десятикратной нагрузки по схеме 0-38 Мпа-0

0 31900 4,1 1,29 3,20

1,6 37000 4,1 1,46 3,15

4,8 40100 4Д 1,75 2,34

16,0 49500 4,09 2,77 1,48

32,0 54000 4,08 3,55 1,15

38,0 57100 4,08 4,24 0,96

32,0 54000 4,08 3,67 1Д1

16,0 51050 4,08 3,05 1,34

4,8 45000 4,09 1,97 2,08

1,6 41400 4,1 1,60 2,56

0 34600 4,1 1,36 3.01

Давление Р, МПа Средний тепловой поток, q ккал/м-ч Толщина образца, д мм Теплопроводность, X ккал/м-ч,0С Термическое сопротивление, л

0 30300 3,7 1,23 3,01

1,6 32400 3,65 1,39 2,63

4,8 35600 3,55 1,71 2,03

16,0 39900 3,45 2,50 1,38

32,0 42700 3,1 3,15 0,98

38,0 44900 3,2 3,99 0,80

0 31700 3,4 1,24 2,74

После десятикратной нагрузки по схеме 0-38 Мпа-0

0 32300 3,4 1,32 2,58

1,6 36600 3,4 1,54 2,21

4,8 39200 3,4 1,96 1,74

16,0 42100 3,33 2,79 1,22

32,0 45900 3,39 3,79 0,89

0 33300 3,4 1,4 2,43