Предельное состояние стальной конструкции при экстремальной термомеханической нагрузке

Предельное состояние стальной конструкции при экстремальной термомеханической нагрузке

Автор: Емельянов И.Г., Кислов А.Н.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 2, 2024 года.

Бесплатный доступ

С использованием численных методов решена задача определения прочности и предельного состояния стальной оболочечной конструкции при термомеханической нагрузке. Действующие напряжения определяются путем решения физически нелинейной краевой задачи для оболочки вращения. Используется классическая теория оболочек, основанная на гипотезах Кирхгофа - Лява, и метод интегрирования уравнений оболочек с дискретной ортогонализацией С.К. Годунова. Путем интегрирования системы обыкновенных дифференциальных уравнений в каждой точке оболочки вычисляются меридиональное, окружное напряжения и соответствующие деформации. При учете пластической деформации материала краевая задача становится нелинейной. Связь между напряжением и деформацией линеаризуется методом дополнительных деформаций. Предложен критерий предельного состояния для тонкостенных конструкций. При отсутствии необходимых параметров для материала конструкции применяется интерполяция и экстраполяция экспериментальных данных на основе нейронных сетей. Метод демонстрируется на примере муфеля, который представляет собой тонкостенную конструкцию в виде оболочки вращения, нагруженную внутренним избыточным давлением водородосодержащего газа и нестационарным тепловым полем. Муфель предназначен для высокотемпературного отжига электролитической стали, и изготовлен из нежаропрочной стали Ст3, механические свойства которой при температуре более 500 °С недостаточно изучены. Однако рабочая температура муфеля может достигать более 1000 °С. Под действием такой тепловой нагрузки в конструкции муфеля образуются заметные остаточные деформации, и муфель может потерять свою несущею способность. Для термомеханических нагрузок определена максимальная температура 1000 °С, при которой наступает предельное состояние и эксплуатация муфеля не допустима. Получено удовлетворительное совпадение с реальной температурой муфеля при эксплуатации 1100 °С, при которой муфель теряет свою несущую способность.

Еще

Оболочка вращения, термомеханическое нагружение, механические параметры, нелинейная краевая задача, метод дискретной ортогонализации, предельное состояние

Короткий адрес: https://sciup.org/146282917

IDR: 146282917   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.2.07

Список литературы Предельное состояние стальной конструкции при экстремальной термомеханической нагрузке

  • Власов, В.З. Общая теория оболочек и ее приложения в технике / В.З. Власов. - М.; Л.: Гостехиздат, 1949. - 784 с.
  • Новожилов, В.В. Теория тонких оболочек / В.В. Новожилов. - Л.: Судостроение, 1962. - 431 с.
  • Бидерман, В. Л. Механика тонкостенных конструкций / В. Л. Бидерман. - М.: Машиностроение, 1977. - 488 с.
  • Григоренко, Я.М. Методы расчета оболочек. Т. 4. Теория оболочек переменной жесткости / Я.М. Григоренко, А.Т. Василенко. - Киев: Наук. думка, 1981. - 543 с.
  • Grigorenko, Ya.M. Some approaches to the solution of problems on thin shell with variable geometrical and mechanical parameters / Ya.M. Grigorenko, A.T. Vasilenko // Int. Appl. Mech. -2002. - Vol. 38, no. 11. - P. 1309-1341.
  • Grigorenko, Ya.M. Using discrete Fourier series to solve boundary-value stress problems for elastic bodies with complex geometry and structure. deviator / Ya.M. Grigorenko // Int. Appl. Mech. - 2009. - Vol. 45, no. 5. - P. 469-513.
  • Ganeeva, M.S. Large deflections and stability of spherical segment under thermal and force loading / M.S. Ganeeva, V.E. Moi-seeva, Z.V. Skvortsova // Lobachevskii J. Math. - 2019. - Vol. 40, no. 6. - P. 734-739.
  • Grigorenko, Ya.M. Stress state of non-thin nearly circular cylindrical shells made of continuously inhomogeneous materials / Ya.M. Grigorenko, O.Ya. Grigorenko, L.S. Rozhok // Int. Appl. Mech. - 2022. - Vol. 58, no. 3. - P. 381-388. DOI: 10.1007/s10778-022-01163-0
  • Илюшин, А.А. Пластичность / А.А. Илюшин. - М.: Гостехиздат, 1948. - 376 с.
  • Статика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций / А.В. Кармишин, В.А. Лясковец, В.И. Мяченков, A.Н. Фролов. - М.: Машиностроение, 1975. - 376 с.
  • Шевченко, Ю.Н. Методы расчета оболочек. Т. 3. Теория упругопластических оболочек при неизотермических процессах нагружения / Ю.Н. Шевченко, И.В. Прохоренко. -Киев: Наук. думка, 1981. - 295 с.
  • Решение осесимметричной задачи термопластичности для тонкостенных и толстостенных тел вращения на ЕС ЭВМ / Ю.Н. Шевченко, М.Е. Бабешко, В.В. Пискун, И.В. Прохоренко, B.Г. Савченко. - Киев: Наук. думка, 1980. - 196 с.
  • Shevchenko, Yu.N. Thermo viscoelastoplastic processes in the deformation of elements of a solid / Yu.N. Shevchenko // Int. Appl. Mech. - 1994. - Vol. 30, no 3. - P. 165-183.
  • Shevchenko, Yu.N. The thermoviscoelastoplastic state of shells of revolution under axisymmetric deformation along various flat paths / Yu.N. Shevchenko, M.E. Babeshko // Int. Appl. Mech. -2001. - Vol. 37, no. 8. - P. 967-997.
  • Babeshko, M.E. Elastoplastic stress-strain state of flexible layered shells made of isotropic and transversely isotropic materials with different moduli and subjected to axisymmetric loading / M.E. Babeshko, Yu.N. Shevchenko // Int. Appl. Mech. -2007. - Vol. 43, no. 11. - P. 1208-1217.
  • Babeshko, M.E. Describing the thermoplastic deformation of compound shells under axisymmetric loading with allowance for the third invariant of the stress deviator / M.E. Babeshko, Yu.N. Shevchenko // Int. Appl. Mech. - 2011. -Vol. 46, no. 12. - P. 1362-1371.
  • ANSYS 10.0. Documentation. - Houston: Swanson Analysis Systems, 2005.
  • ABAQUS. Analysis user's Manual. Version 6.11. -ABAQUS, Inc, 2011.
  • Bucalem, M.L. Finite element analysis of shell structures / M.L. Bucalem, K.J. Bathe // ARCO. - 1997. - Vol. 4, no. 1. - P. 361. DOI: 10.1007/BF02818930
  • Mousa, A. A Shallow Shell Finite Element for the Linear and Non-linear Analysis of Spherical Shells / A. Mousa, M. Djoudi // IJCEE-IJENS. - 2015. - Vol. 15, no. 5. - P. 24-28.
  • Feumo, A.G. Finite Element Model for Linear Elastic Thick Shells Using Gradient Recovery Method / A.G. Feumo, R. Nzengwa, J. Nkongho Anyi // Mathematical Problems in Engineering. - 2017. -Vol. 2017, no. 2. - P. 1-14. DOI: 10.1155/2017/5903503
  • Petrolo, M. Best theory diagrams for multilayered structures via shell finite elements / M. Petrolo, E. Carrera // Adv. Model. and Simul. in Eng. Sci. - 2019. - Vol. 6, no. 4. - P. 2-23. DOI: 10.1186/s40323-019-0129-8
  • Сухомлинов, Л.Г. Численное моделирование локально нагруженных через шпангоуты трехслойных композитных цилиндрических оболочек / Л.Г. Сухомлинов, М.В. Шиврин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2021. - № 3. -С. 163-174. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.15
  • Рогожникова, Е.Н. Расчет НДС и оценка прочности сегментированной цилиндрической оболочки из композиционных материалов с металлическими вкладышами / Е. Н. Рогожникова, А.Н. Аношкин, Р.В. Бульбович // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2022. - № 1. - С. 102-114. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.1.09
  • Емельянов, И.Г. Контактные задачи теории оболочек / И.Г. Емельянов. - Екатеринбург: УрО РАН, 2009. - 185 с.
  • Годунов, С. К. О численном решении краевых задач для систем линейных обыкновенных дифференциальных уравнений / С.К. Годунов // Успехи математических наук. - 1961. -Т. 16, № 3. - С. 171-174.
  • Чупин, В.В. Исследование закритических деформаций пологих сферических панелей постоянной толщины / В.В. Чупин, Д.Е. Черногубов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». - 2023. - Т. 15, № 3. - С. 55-61.
  • Емельянов, И.Г. Термодиффузионная задача наводо-роживания стальной оболочечной конструкции / И.Г. Емельянов, В.И. Миронов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2018. - № 3. - С. 27-35.
  • Emel'yanov, I.G. Stressed state of a steel construction working in hydrogen containing environment / I.G. Emel'yanov, A.A. Polyakov, A.S. Hodak // J. of Phys.: Conf. Series. - 2019. -Vol. 1391. - P. 012027.
  • Марочник сталей и сплавов / А.С. Зубченко [и др.]; под ред. А.С Зубченко. - М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.
  • Новожилов, В.В. Вопросы механики сплошной среды / В.В. Новожилов. - Л.: Судостроение, 1989. - 400 с.
  • Emelyanov, I.G. Strength analysis of thin-wall structures operating in aggressive environments for prolonged periods / I.G. Emelyanov, A.N. Kislov // Mat. Phys. and Mech. - 2022. - Vol. 50, no. 3. - P. 475-484. DOI: 10.18149/MPM.5032022_10
  • Писаренко, Г.С. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. -Киев: Наук. думка, 1988. - 736 с.
  • Голубев, Ю.Ф. Нейросетевые методы в мехатронике / Ю.Ф. Голубев. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2007. - 157 с.
  • Aladjev, V.Z. Toolbox for Mathematica programmers / V.Z. Aladjev, V.A. Vaganov. - Seattle: An Amazon.com Company, 2016. - 630 p.
  • Lemzikov, A.V. Training artificial neural networks for predicting properties of steels / A.V. Lemzikov, S.P. Kundas // In-formatika. - 2009. - Vol. 24, no. 4. - P. 101-111.
  • Prediction of strength properties of natural fiber-porous composites by neural networks / L. Yussupova, А. Sokolovskiy, S. Mu-nasipov, L. Kulkaeva, M. Kunelbayev // Mat. Phys. and Mech. -2021. - Vol. 47, no. 4. - P. 613-620. DOI: 10.18149/MPM.4742021_9
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp