Программное обеспечение расчета сильфонных компенсаторов на прочность

УДК 62-45

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТА СИЛЬФОННЫХ КОМПЕНСАТОРОВ НА ПРОЧНОСТЬ

С.А. Глебович

Анализируется напряжённо-деформированное состояние компенсаторов сильфонного типа с его реализацией в виде программного обеспечения для ЭВМ. Цель работы - рассмотреть программное обеспечение для расчёта сильфонных компенсаторов на прочность и его значение. Описано моделирование напряжённо-деформированного состояния СУЭ в среде инженерных приложений

Ключевые слова: расчёт, сильфон, деформация, способ, малоцикловой, модификация, программное обеспечение, элемент, напряжённо-деформированное состояние.

Сильфонные компенсаторы (рис. 1) находят все большее применение в разных отраслях промышленности. Их использование с целью компенсации температурных деформаций элементов систем предоставляет возможность увеличить рабочие характеристики оборудования, облегчить структуру производственных объектов, уменьшить габариты трубопровода, приобрести в результате значительный технический и финансовый эффект [2].

Рис. 1. Вид сильфонных компенсаторов

Большая часть неисправностей систем, появляющихся при их эксплуатации, как показывают статистические сведения, обусловлено усталостью металлов. Усталость металлов - это процесс постепенного накопления дефектов в материале при циклическом нагружении, приводящий к зарождению усталостной трещины, ее формированию и конечному разламы-

246

ванию материала. В настоящее время проблема малоцикловой усталости элементов конструкций стала особо важной в связи с интенсификацией эксплуатации изделий в обстоятельствах высочайшей нагруженности при квазистационарном характере повторных постоянных силовых влияний. Разрушение при небольшом числе циклов нагружения появляется, как норма при развитых, повторяющихся, пластических деформациях в макрообъёмах. Эта его особенность определяет методы исследований, направленных на использование способов расчёта [3].

В большинстве случаев сильфонные компенсаторы подвергаются влияниям перегрузки с ограниченным числом циклов. Количество циклов нагружения обусловливается числом пусков, остановок и внезапных перемен режима работы оборудования за период эксплуатации. В данных обстоятельствах ограничение работы компенсатора областью гибких деформаций не позволяет целиком использовать его компенсирующую способность. С целью повышения надёжности сильфонного компенсатора уместно и следует допустить пластические деформации в более загруженных участках оболочки. Потому как циклическое упругопластическое деформирование сильфона сопутствуется обычно его малоцикловым разрушением, одна из ключевых задач состоит в обеспечении необходимой прочности конструкции [3].

Затруднения, сопряжённые с разработкой строгих способов расчёта сопротивления конструкций малоцикловому разрушению, и острая потребность решения значимых фактических вопросов обусловили применение инженерных способов, основанных в комбинировании результатов упругого расчёта с экспериментальными сведениями.

Материал сильфона должен удовлетворять многочисленным условиям, зависящим от его назначения и условий работы. Прежде всего, материал должен гарантировать необходимую прочностную надёжность силь-фона, а с целью этого он должен обладать высочайшей упругостью и необходимой крепостью в обстоятельствах как неизменных, так и переменных нагрузок. С целью обеспечения высокой метрологической надёжности -сохранения постоянства рабочих данных чувствительного компонента во времени в обстоятельствах обычной и высокой температуры - материал сильфона должен владеть существенным противодействием малым пластическим деформациям. Высочайшее противодействие микропластическим деформациям - одно с главных и в то же время специфическое правило к материалам сильфонов [4].

С целью практической реализации инженерных способов расчётной оценки малоцикловой прочности сильфонных компенсаторов следует располагать надёжными и удобными в использовании способами и методами автоматизированного расчёта упругого напряжённо-деформированного состояния сильфонов - программным обеспечением [5].

Расчёт напряжённо-деформированного состояния сильфонных упругих элементов (СУЭ) в программном комплексе COSMOS/DesignStar 4.0 среды SolidWorks основан на методе конечных элементов.

Базой геометрической модели любого проекта в SolidWorks является твердотельная деталь. Планирование модели может реализовываться как «сверху вниз» (от сборки к детали), так и «снизу вверх» (от детали до сборки), а кроме того в результате комбинаций данных подходов. Все перемены в модификации могут проводиться в настоящем времени. Модель SolidWorks складывается из трёх типов представлений - чертежей, деталей, сборок. Связь между ними такая, что перемены, произведённые в одном варианте, автоматически производятся в абсолютно всех иных видах. Система SolidWorks эффективна для решения вопросов анализа и синтеза проектно - конструкторских решений и испытаний деталей.

Модуль конечно-элементного расчёта COSMOSWorks, интегрированный в систему пространственного прогнозирования SolidWorks, является инструментом технического анализа. COSMOSWorks - приложение, что целиком работает с пакетом SolidWorks. Как результат, комплекс данных двух продуктов представляется, по сути, общим пакетом. Это значит, что не происходит никакой конвертации при переходе данных. Данная особенность увеличивает функциональность общего функционирования проектов и главное, свойства производимых расчётов. [1]

Прежде всего, нужно построить объёмную модель выбранного для исследования СУЭ в среде SolidWorks. Затем требуется задать граничные условия и провести требуемые расчёты. Из расчётов следует, что величина напряжений изменяется периодически, и максимальные напряжения возникают в вершинах и впадинах гофров. Распределение деформаций СУЭ при действии осевой силы (рис. 2) [6].

Рис. 2. Распределение деформаций СУЭ при действии осевой силы

Время, затраченное машиной на вычисления напряжений и деформаций, составляет не более 1 минуты, что значительно экономит время конструктора, выбравшего СУЭ для применения в первичном датчике системы управления.

В базе разработанной математической модификации отображения строится трёхмерная модель СУЭ в среде проектирования SoHdWorks, что составляет комплекс автоматизации и даёт возможность реализовывать процесс проектирования, технического испытательного анализа и подготовки изготовления продуктов любой сложности и назначения оборудования. [1]

В программном обеспечении описывается процедура формирования полимерных модификаций сильфонов с установленной геометрией в базе новой технологии лазерного праготипирования. Приобретённые образцы СУЭ имеют совершенную фигуру, что сложно достижимо при гидравлическом способе производства СУЭ.

В программе приводится расчёт основных характеристик СУЭ — интенсивности напряжений и деформации в виде цветовых рисунков, чертежей, данных, отражающих распределение указанных параметров. Форма потери устойчивости СУЭ в виде цветового рисунка (рис.3).

Рис. 3. Форма потери устойчивости СУЭ

Исследование поведения новых СУЭ в составе первичных датчиков систем управления в COSMOS/DesignStar 4.0 представляется наиболее перспективным направлением, так как не требует затрат на изготовление образцов для проверки их работоспособности, и позволяет уже на стадии проектирования выбрать наиболее оптимальный режим эксплуатации СУЭ [6].

Таким образом, использование программного обеспечения COSMOS/DesignStar 4.0 в среде SolidWorks для расчётов напряжённо-деформированного состояния СУЭ значимо облегчает анализ полученных результатов и экономит время, затрачиваемое разработчиком на аналогичные расчёты.

Исследования напряжённо-деформированного состояния и перемещения гофр смоделированных сильфонов при разных параметрах нагру-жения ведутся при помощи числовых способов, что даёт возможность,

249

применяя созданные экспертами программные пакеты, предопределять всю картину распределения усилий в стенке сильфона, в частности предопределять небезопасные места в сильфоне и ликвидировать уязвимости. Все перечисленные выше исследования ведутся с применением описываемого программного обеспечения.

В настоящее время нет единого, точного, достаточно удобного для практического использования аналитического способа расчёта сильфонов. Имеется значительное число теоретических способов расчёта сильфонов, владеющих различной степенью приближения (точности). Формирование единой модели расчёта статики, динамики и прочности СУЭ, базирующейся на современных машинно-ориентированных средах, по-прежнему остаётся актуальной проблемой.

Список литературы

1. Алямовский А.А. SolidWorks / COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. ДМК-Пресс, 2004. 464 с.

2. Бурцев К.Н. Металлические сильфоны. М.: Машгиз, 1963. 164 с.

3. Луганцев Л.Д. Инженерный метод расчётной оценки несущей способности сильфонных компенсаторов при малоцикловом нагружении. Проблемы прочности. 1979. № 4.

4. Прочность при малоцикловом нагружении. Основы методов расчёта и испытаний / С.В.Серенсен, Р.МШнейдерович, А.П.Гусенков [и др.]. М.: Наука, 1975. 287 с.

5. Пономарев С. Д., Андреева Л.Е. Расчёт упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.

6. Ткалич В.Л., Рыбакова Н.А. Проблемы качества сильфонных УЧЭ. СПб.: ГУИТМО, 2001.

Глебович Станислав Александрович, асп., stivgl@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

SOFTWARE CALCULATION OF BELLOWS EXPANSION JOINTS FOR STRENGTH

S.A. Glebovich

This article describes the analysis of stress-strain state of the compensator bellows with its implementation in the form of software for computers. The aim of this work is to analyze software for the calculation of bellows expansion joints for strength and value. In the presented work describes the modeling of the stress-strain state sues in an environment of engineering applications, SolidWorks.

Key words:calculation, bellows, strain, method, low-cycle, modification, software, element, stress-strain state.

Glebovich Stanislav Aleksandrovich, postgraduate, stivgl@,mail.ru, Russia, Tula, Tula state university