Расчетно-экспериментальный анализ прочности цилиндрических стенок автоклавов высокого давления Еловенко, Денис Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время на химических производствах находятся в эксплуатации большое число автоклавов, работа которых включает 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.

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, получаемой в этом оборудовании.

Вопросами математического моделирования и расчетов для анализа и оценки прочности цилиндрических оболочек и сосудов с многослойными стенками занимались М.Б. Блох, В.В. Болотин, А.В. Гадолин, Н.Ф. Дроздов, В.С. Никишин, Ю.Н. Новичков, О.В. Репецкий, Г.С. Шапиро и др. Контактная податливость и контактная теплопроводность многослойных конструкций впервые была учтена в работах В.Н. Жукова, Л. А. Ильина, Н.А. Лобкова, П.Г. Пимштейна, математическое обоснование методов расчета было предложено в работах Л.Б.Цвика и др. Исследованием и конструированием занимались в США T.M. Jasper, в СССР М.И. Бейлин и др.

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

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

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 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. 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. 5. 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 машино
         строения 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.

         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.

         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.

         Похожие диссертации на Расчетно-экспериментальный анализ прочности цилиндрических стенок автоклавов высокого давления

         

         Определение величины оползневого давления на основе анализа напряженного состояния грунтового массиваБабаханов Борис Станиславович

         

         Повышение эксплуатационной стойкости пресс-форм литья под давлением на основе анализа теплонапряженного состояния и моделирования процессов термоусталостного разрушенияБерезин Дмитрий Тимофеевич

         

         Разработка моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектных решений датчика давления летательного аппаратаНиконов Константин Петрович

         

         Измерения и анализ флуктуаций температуры, скорости и давления в каналах нерегулярной формыРассадина Анна Александровна

         

         РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ АНАЛИЗА НДС, СОЗДАНИЯ НОВЫХ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВТрусковский Виктор Иванович

         

         Системный анализ и моделирование гидросистем поддержания пластового давления : На примере Лазаревского месторожденияСтрекалов Александр Владимирович

         

         Анализ динамического поведения цилиндрических оболочек при неосесимметричном внешнем давлении Макаренко Наталья Борисовна

         

         Методики анализа характеристик, выбора структуры и параметров системы регулирования давления и температуры газообразного топлива, питающего энергоустановку газотепловозаАрзуманов Андрей Юрьевич

         Определение давления грунтового массива на горизонтальные перекрытия подземных пространств на основе анализа напряженного состоянияСтатун, Александр Сергеевич

         

         Разработка расчетных методов анализа прочности крупногабаритных прокатных валков при термообработке и прессовой посадкеПокровский Алексей Михайлович