Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие промышленности и энергетики требует создания сосудов диаметром до 16 м и толщиной стенки 400-500 мм, выдерживающих высокие внутренние давления и температуры. Более того, в некоторых новых типах энергетических установок эффект реакции может Сыть достигнут только при значительных объемах, что потребует создания корпусов с еще большими диаметрами и толщинами стенки, выдерживающих как повторно статические, так и импульсные силовые и температурные нагрузки.
Существующие технологические возможности, а также опасность хрзтікого разрушения не позволяют изготовлять такие сосуды однослойными штампосварньми. Альтернативным вариантом, позволяющим подойти к проблеме создания крупногабаритного корпуса высокого давления, является многослойная конструктивная форма, применение которой позволит уменьшить опасность хрупкого разрушения и преодолеть технологические трудности, связанные с габаритами конструкции.
В связи с поиском и отработкой новых конструктивных решений, методов и технологий изготовления многослойных крупногабаритных корпусов высокого давления встает задача выбора лучшей технологии, а следовательно, сравнительной оценки сосудов, изготовленных-различными способами.
Два различных технологических процесса можно оценить, изготовив по ним многослойные сосуды идентичной геометрической формы и сравнив затем их напряженно-деформированные состояния. Однако реальное положение таково, что многослойный сосуд является дорогим уникальным сооружением и не может быть изготовлен только с целью исследований его прочности и отработки технологии. Необходимо давать сравнительные оценки конструктивншії решениям и технологическим процессшл, распологая теми сосудами, которые нужны заказ-
I
чику, с условием того, что в дальнейшем они будут переданы в эксплуатацию, т.е. не доводя сосуд до разрушения и, по возможности, не производя над ним операций, ведущих к ухудшению его эксплуатационных свойств, например, сверлений слоев.
Целью диссертационной работы является: на основе экспериментальных и теоретических исследований действительной работы металлической конструкции сферических многослойных сосудов, разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния многослойного сосуда и его осесимметричных узлов, например, многослойных патрубков при статическом нагружении внутренншл давлением, учитывающую существенную поперечную податливость, низкую сдвиговую жесткость многослойной стенки и включающую определение условий возникновения возможного расслаивания и проскальзывания слоев относительно друг друга, а также разработать методику сравнительной оценки сосудов различных геометрических размеров и формы, изготовленных по различным технологиям, т.е. методику сравнительной оценки технологий изготовления и дать рекомендации по расчету и конструированию крупногабаритного корпуса высокого давления и его элементов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
установлен характер напряженно-деформированного состояния многослойных сферических сосудов высокого давления, в том числе с многослойными патрубками;
разработана новая модель физически нелинейного материала, позволяющая учитывать особенности поведения реальной многослойной стенки сосуда высокого давления: нелинейный характер жесткости слоев при их обжатии, нелинейность сдвиговой жесткости и касательных сил, возникающих между слоями, нелинейную зависимость термического сопротивления контактирующих поверхностей от контактного
давления;
установлен качественный характер, а также найдены численные значения механических характеристик, определяющих податливость и сдвиговую жесткость многослойных пакетов листового проката и дана оценка соответствующих функции для реальной многослойной стенки сосудов высокого давления;
разработана методика сравнительной .оценки технологий изготовления многослойных сосудов высокого давления.
Практическое значение работы состоит в том, что: - установлена возможность изготовления в условиях отечественного заводского производства негабаритных глногослойных сферических сосудов, обладающих необходимым запасом прочности, что открывает возможность приступить к разработке и изготовлению крупногабаритных многослойных корпусов;
- разработанная методика сравнительной оценки технологии
изготовления глногослойных сосудов высокого давления позволила ус
тановить, что можно отдать предпочтение технологии блочной сборки
с горячей штамповкой блоков, слои которых' не разбираются после
штамповки, в сравнении со способами послойной сборки;
-разработаны новые конструкции элементов и узлов крупногабаритных многослойных корпусов высокого давления;
даны рекомендации по выбору технологии изготовления, конструированию и расчету крупногабаритных многослойных корпусов высокого давления;
разработанная методика дает возможность на стадии вариантного проектирования выбирать оптимальное, например, с точки зрения вносимой концентрации напряжений, конструктивное решение осесиммет-ричных узлов многослойных корпусов высокого давления, а также давать сравнительную оценку технологий изготовления и тем самым отра-
батывать технологию, располагая готовыми сосудами, созданными для эксплуатации, а не специально изготовляя для этой цели экспериментальные модели.
Внедрение результатов. Результаты работы внедрены в институте ЦНИИпроектстальконструкция им.Мельникова при расчете, проектировании и изготовлении сферических многослойных сосудов диаметрами 1200 мм, 2400 мм и 3000 мм, а также при расчете и проектировании одноосноразгруженных пакетных конструкций.
На защиту выносятся:
- расчетная модель, описывающая напряженно-деформированное состояние многослойного сосуда в гладкой части и в зонах конструктивной неоднородности, которая учитывает нелинейный характер поперечной жесткости контактирующих слоев, нелинейность сдвиговой жесткости и касательных сил, возникающих между слоями, нелинейность зависимости термического сопротивления контактирующих поверхностей от контактного давления;
методика расчета напряженно-деформированного состояния многослойных сосудов высокого давления и их осесимметричных элементов, например, многослойных патрубков, позволяющая учесть низкую сдвиговую жесткость и сильную поперечную податливость многослойной стенки, а также определить условия расслаивания и проскальзывания слоев относительно друг друга;
результаты экспериментальных исследований на сжатие и сдвиг многослойных плоских пакетов листовой прокатной стали;
методика определения механических характеристик податливости и сдвиговой жесткости плоских пакетов листовой прокатной стали, общие закономерности поведения, а также численные значения этих функций, позволяющие оценить соответствующие функции реальной многослойной стенки сосуда высокого давления;
результаты анализа экспериментальных исследований многослойных сферических сосудов диаметрами 1200 мм и 3000 км с многослойными патрубками и диаметром 2400 мм со сшюшностенчатым патрубком;
методика сравнительной оценки многослойных сосудов различной геометрической формы и размеров, изготовленных по различным технологиям, т.е. методика сравнительной оценки технологий изготовления;
результаты сравнительной оценки конструктивных решений и технологий изготовления июгослойкых сосудов диаметрами 1200 :.м, 2400 мм и 3000 ил;
технические решения элементов и узлов многослойных крупногабаритных корпусов высокого давлен::?-.
Апробация работы. Оскоьные результаты работы докладывались и обсундались:
на УІІ научно-технической конференции молодых специалистов Всесоюзного объединения "Союзметаллостройншстроект" (г.Череповец, 1980г.);
на УІІІ научно-технической конференции молодых специалистов Всесоюзного объединения "Союзметаллостройниипроект" "Повышение эффективности и совершенствование исследований, проектирования, изготовления и монтажа строительных металлоконструкций" (г.Молодечно, 1983г.);
на четвертой Украинской республиканской научно-технической конференции по металлическим конструкциям "Развитие, совершенствование и реконструкция специальных сварных стальных конструкций зданий и сооружений" (г.г.Симферополь, Черноморск, 1988г.);
на заседании секции НТО ЦЕЖпроектстальконструкция им.Мельникова "Теоретические исследования" (г.Москва, 1992г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, получено 3 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, рекомендаций по конструированию и расчету; заключения и списка литературы. Содержит 208 страниц, в том числе 130 страниц машинописного текста, 2 таблицы, 59 рисунков и список использованной литературы, включающий 145 наименований.