Инженерный анализ и оптимальное проектирование горизонтальных резервуаров

В последние 10−12 лет произошел резкий спад производства в машиностроительном комплексе России. Основными причинами этого являются: нарушение кооперативных, технических и технологических связей производителей машиностроительной продукции, резкое сужение рынка сбыта, наличие запасов продукции производства прошлых лет, высокая себестоимость выпускаемых изделий, устаревшие и изношенные основные фонды, недостаток оборотных и инвестиционных средств, опережающий рост цен на продукцию и услуги естественных монополий, недостаточно эффективное взаимодействие финансово-кредитных организаций и реального сектора экономики, высокий уровень налогообложения, недостаточная структурированность машиностроительного комплекса, ликвидация значительной части предприятий машиностроительного комплекса.

Вместе с тем, в последние годы активно развиваются отрасли, связанные с добычей, транспортировкой, хранением и реализацией природных ресурсов страны. В развивающихся отраслях возникла необходимость технического перевооружения, модернизации и обновления основных фондов и создания новых производств. В связи с этим возросла потребность в машиностроительной продукции, особенно в нефтяной и химической отраслях. Современная стратегия экономической реформы ставит требует принципиально новых подходов к управлению и организации производства, новых конструктивных и технологических решений по производству изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками и низкой себестоимостью.

Обеспечение необходимого качества изделий может быгь реализовано на основе выполнения ряда мероприятий по исследованию, разработке и освоению новых конструкций. Важную роль в этом играет инженерный анализ, под которым в настоящее время понимают комплекс расчетов на прочность, жесткость, долговечность, устойчивость разрабатываемых конструкций. Кроме того, в инженерной практике приходится решать задачи термоупругости, пластичности, выполнять гидродинамические, тепловые и другие расчеты. Не случайно на рынке сейчас невозможно найти изделия с международной торговой маркой, разработанную без применения систем инженерного анализа, методов оптимизации и других инструментальных средств.

Одним из важнейших типов оборудования, широко распространенным в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности является емкостная аппаратура: резервуары, сборники, химические реакторы, газгольдеры и т. п. Эти конструкции предназначены для хранения, переработки и транспортировки химических, пищевых и других жидких продуктов под высоким избыточным давлением.

Особую группу таких изделий представляют конструкции двойного назначения, условия эксплуатации которых в ряде случаев могут быть весьма жесткими. На рис. 1 в качестве примера представлен резервуар для хранения и транспортировки горюче-смазочных материалов, применяемый в спецтехнике. Корпус резервуара установлен на двух седловых опорах (ложементах). Жидкость в резервуаре находится под высоким избыточным давлением. Транспортировка продукта производится по пересеченной местности, вследствие чего интенсивность динамической составляющей механической нагрузки может быть весьма высокой. Поскольку к материалоемкости изделия предъявляются повышенные требования, в ряде случаев корпус резервуара изготавливается из алюминиевого сплава. Повышенные требования предъявляются также к прочности и жесткости конструкции.

Многие технологические процессы в химической и смежных с ней отраслях промышленности предъявляют повышенные требования к конструкционным материалам. Емкостная аппаратура зачастую изготавливается из дорогостоящих и дефицитных высоколегированных сталей. Вместе с тем, отечественный и зарубежный опыт показывает, что значительное количество никелесодержащих сталей и дефицитных цветных металлов можно в ряде случаев с успехом заменить алюминием и его сплавами [46]. Однако широкое применение алюминиевых сплавов, обладающих склонностью к хрупкому разрушению при динамических нагрузках, сдерживается отсутствием руководящих нормативных материалов по конструированию и изготовлению емкостной аппаратуры, основанных на уточненных методах прочностного расчета элементов оборудования. При проектировании оборудования из алюминия и его сплавов расчеты на прочность выполняются в соответствии с нормативно-техническими документами, действующими на предприятиях химического и нефтяного машиностроения, в частности, по ГОСТ 25 158–84. Однако существующие нормативные методики расчета основываются на приближенных расчетных схемах и в ряде случаев не учитывают реальные условия работы элементов конструкций [79]. На практике это приводит к завышению коэффициентов запаса прочности и, соответственно, к увеличению материалоемкости изделий. Для ряда конструкций инженерные методики расчета на прочность вообще отсутствуют. Например, при проектировании колонных аппаратов из алюминия на практике в ряде случаев копируются конструкции стальных колонн без учета механических и технологических свойств материала.

Сложность конструктивных форм, специфические условия эксплуатации предъявляют к расчетам емкостной аппаратуры своеобразные и повышенные требования. Увеличение рабочих параметров агрегатов при одновременном снижении материалоемкости оборудования приводит к существенному повышению уровня напряженного состояния элементов конструкций. Необходимость обеспечения работоспособности и надежности емкостной аппаратуры определяет актуальность проблемы расчетной оценки несущей способности элементов конструкций, работающих в сложных условиях эксплуатации.

При проектировании аппарата основной задачей, поставленной перед конструктором, является выбор конструктивных параметров изделия, обеспечивающих его высокую эффективность (минимальную материалоемкость, достаточный запас прочности и жесткости, низкую себестоимость и т. д.). Разработка любого изделия представляет собой циклический итерационный процесс, при котором конструктор рассматривает ряд вариантов изделия, сравнивает их по выбранным критериям эффективности, выполняет оценочные расчеты. При разработке достаточно сложных изделий на практике обычно рассматривают не более 2−3 вариантов конструкции ввиду ограничений по времени при выполнении трудоемких расчетов. Наиболее трудоемкими являются расчеты, связанные с оценкой работоспособности конструкций. Выполняя расчеты на прочность и жесткость, конструктор в большинстве случаев использует упрощенные расчетные схемы. Так при расчете горизонтальных цилиндрических сосудов и аппаратов в практике проектирования часто используют балочную математическую модель, в которой не учитывается реальная геометрия конструкции, неосесимметричный характер ее нагружения и ряд других факторов. Большой опыт разработки изделий этого типа позволяет создавать работоспособные конструкции, однако вопрос о возможности повышения их эффективности остается открытым. При отсутствии точных и доступных широкому кругу пользователей методов расчета горизонтальных резервуаров конструктор вынужден назначать завышенные коэффициенты запаса прочности, что приводит к увеличению металлоемкости конструкции, перерасходу дефицитных материалов, повышенным энергетическим затратам. Поэтому одним из существенных условий снижения материалоемкости оборудования является разработка и внедрение в практику проектирования уточненных норм расчета на прочность [92].

В последнее время возникла острая проблема прогнозирования и обеспечения остаточного технического ресурса оборудования, связанная с истечением нормативного срока его эксплуатации. Особый интерес представляет проблема прогнозирования индивидуального ресурса аппаратов по результатам наблюдений за их состоянием в процессе эксплуатации. Практическое значение проблемы весьма велико. В ряде отраслей промышленности фактический ресурс оборудования еще не достигает предельных значений. Повышение ресурса приведет к существенной экономии материалов, энергетических и трудовых затрат. Для вынесения обоснованных решений о возможности дальнейшей эксплуатации оборудования без перерывов на капитальную реконструкцию необходимо иметь достаточную информацию о его техническом состоянии. Такая информация (данные о дефектах, возникших в процессе эксплуатации, фактических нагрузках и других условиях взаимодействия объекта с внешней средой) может быть получена с помощью средств технической диагностики. На основании этих данных могут быть построены физические модели элементов оборудования, более полные и точные, чем априорные расчетные схемы, обсуждаемые на стадии проектирования. Для обоснованной оценки остаточного ресурса необходимо располагать достоверными результатами численного анализа напряженно-деформированного состояния элементов конструкций на основе уточненных физических моделей. Решение этой задачи может быть получено лишь при наличии точных методов расчета на основе математических моделей высокого уровня.

В связи с требованиями снижения материалоемкости емкостного оборудования и повышения его надежности при непрерывном росте рабочих параметров химико-технологических систем и агрегатов особое значение наряду с проблемой обоснования несущей способности и ресурса приобретают вопросы, связанные с постановкой и решением задач оптимального проектирования на основе систематического исследования характерных особенностей работы конструкций методами физического и численного эксперимента.

Оперативное решение трудоемких задач анализа напряженно-деформированного состояния элементов оборудования на основе математических моделей высокого уровня с учетом конкретных условий эксплуатации, достоверная и надежная' оценка их несущей способности, поиск оптимальных проектных решений возможны лишь при помощи современной вычислительной техники, современных средств и методов программирования [89]. Возникает настоятельная необходимость в разработке математических моделей, методов и алгоритмов решения инженерных задач, адекватно отражающих реальные условия работы оборудования, учитывающих возможности современных ЭВМ и позволяющих достигнуть новых рубежей точности, универсальности, степени полноты и надежности получаемых результатов. Актуальной становится задача численной реализации новых методов расчета, создания математического и программного обеспечения для ЭВМ. Следует отметить, что при компьютерном анализе работы исследуемых конструкций необходимо рассматривать все этапы исследования: построение математической модели, разработку метода и алгоритма, математического и программного обеспечения, численный счет и анализ результатов как звенья единой цепи и учитывать связи между ними. Только при таком условии можно получить эффективное решение задачи.

Применение методов численного анализа и ЭВМ дает наибольший эффект, когда от автоматизации решения отдельных инженерных задач переходят к комплексной автоматизации процесса проектирования на основе создания и использования систем автоматизированного проектирования (САПР) [51]. Применение таких систем позволяет существенно повысить технический уровень и качество проектных решений, сократить сроки разработки и освоения изделий новой техники. Основное преимущество и высокая эффективность САПР обусловлены прежде всего тем, что с их помощью становится практически осуществимым оптимальное проектирование, т. е. поиск наилучшего в определенном смысле варианта среди множества возможных. Именно за счет оптимизации конструкций путем синтеза и анализа математических моделей может быть получен наибольший экономический эффект при разработке и внедрении новой техники.

Создание САПР является исключительно сложной, трудоемкой и многогранной задачей и предусматривает, прежде всего, разработку специального программного обеспечения модульной структуры, включающего в себя комплексы прикладных программ целевого назначения. От характеристик специального программного обеспечения определяющим образом зависят возможности САПР при решении проектных задач. В связи с этим разработка методов и алгоритмов расчета и оптимального проектирования элементов оборудования на основе математических моделей высокого уровня и их реализация в виде программных комплексов для САПР приобретает большое значение.

В соответствии с изложенным целями настоящей работы являются:

— разработка алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальных тонкостенных цилиндрических резервуаров, основанного на математических моделях высокого уровня;

— численная реализация алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния резервуаров, связанная с разработкой программного обеспечения для ЭВМ;

— проведение комплекса экспериментально-теоретических исследований для обоснования адекватности применяемых математических моделей, оценки степени точности и надежности алгоритма численного расчета pi программных средств;

— систематическое исследование напряженно-деформированного состояния резервуаров методами численного и физического эксперимента;

— постановка и решение задачи параметрической оптимизации горизонтальных тонкостенных резервуаров;

— разработка инженерной методики оптимального проектирования резервуаров.

В первой главе диссертации приведен обзор публикаций, посвященных исследованию напряженно-деформированного состояния и расчету на прочность горизонтальных цилиндрических аппаратов.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических аппаратов с эллиптическими днищами, установленных на седловых опорах. Решение задачи строится на основе общей моментной теории тонкостенных оболочек вращения с применением метода тригонометрических функций и метода ортогональной прогонки. Приведено описание разраьо-танного программного обеспечения, а также результаты его тестирования и испытаний.

В третьей главе диссертации приведено описание методики экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния опытного образца резервуара, применяемого для этой цели оборудования и приборов. Представлены результаты физического эксперимента, дан их анализ. Изложена методика и представлены результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния резервуаров в широком диапазоне изменения конструктивных параметров.

Полученные результаты используются в четвертой главе при постановке и решении задачи оптимального проектирования горизонтальных тонкостенных резервуаров. Решение задачи параметрической оптимизации строится на основе метода направленного сканирования пространства проектирования на детерминированной сетке с использованием равномерно распределенной последовательности пробных точек.

В пятой главе диссертации предложена инженерная методика оптимального проектирования горизонтальных тонкостенных резервуаров. На конкретном примере показана эффективность предложенной методики.

Выполненные в настоящей работе исследования позволили получить ряд новых научных результатов.

На основе моментной теории тонких оболочек вращения разработан алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических резервуаров с эллиптическими днищами с учетом сил контактного взаимодействия корпуса сосуда с ложементамиметодами численного эксперимента исследованы характерные особенности работы конструкцийсформулирована и решена задача параметрической оптимизации резервуаровразработана инженерная методика оптимального проектирования.

Обоснованность научных результатов определяется тем, что в работе использованы известные теоретические положения механики твердого деформируемого твердого тела. Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным согласованием данных численного анализа работы опытного образца резервуара с экспериментальными данными, а также совпадением решения ряда модельных задач предложенным методом с известиыми решениями.

На защиту выносятся:

— алгоритм автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических резервуаров с эллиптическими днищами, установленных на седловых опорах;

— результаты исследования методами численного эксперимента напряженно-деформированного состояния резервуаров в широком диапазоне конструктивных параметров;

— метод решения задачи параметрической оптимизации резервуаров по критерию материалоемкости на основе направленного сканирования пространства проектирования с использованием равномерно распределенной последовательности пробных точек;

— инженерная методика оптимального проектирования горизонтальных цилиндрических резервуаров.

Диссертация обобщает результаты ряда научно-исследовательских работ, выполненных на Моршанском заводе химического машиностроения под руководством и при личном участии автора в соответствии с Координационным планом «Создание нормативно-технической документации по расчету и изготовлению аппаратов из алюминия и его сплавов» — целевой научно-технической программой «Создание производств по получению крепкой азотной кислоты». Тема 0156−85−540.

К данному циклу относятся также научно-исследовательские работы, выполненные по планам важнейших НИР Моршанскхиммаша:

Метод расчета напряжений в местах пересечения патрубков с обечайкой и днищами" - комплексный план Союзхиммаша па 1980 год.

Сосуды и аппараты алюминиевые горизонтальные, устанавливаемые на опоры (нормы н методы расчета)" - тема 1206−88−422.

Исследование физико-механических свойств алюминия и его сплавов". Тема 120 688−531.

Материалы диссертации докладывались на 46-ой научно-технической конференции Московской государственной академии химического машиностроения.

Все основные результаты, представленные в настоящей работе, получены лично автором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных в настоящей работе исследований решена важная научно-техническая задача обоснования работоспособности горизонтальных цилиндрических резервуаров с учетом специфических условий эксплуатации. Разработан и экспериментально обоснован алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния оборудования, реализованный в виде математического и программного обеспечения. Методом численного эксперимента исследованы характерные особенности работы конструкций, сформулирована и решена задача параметрической оптимизации. Результаты выполненных исследований открывают пути для эффективного решения важных задач, связанных с созданием новой техники, делают возможным обоснованный выбор ответственных конструктивных решений, направленных на снижение материалоемкости оборудования" повышение его надежности и ресурса.

На основе моментной теории тонких оболочек вращения разработан алгоритм численного анализа напряженно-деформированного состояния горизонтальных. цилиндрических резервуаров с эллиптическими днищами установленных на седловых опорах (ложементах). Предложенный подход к решению задачи, связанный с переходом к глобальным координатам, единым для всех элементов конструкции, позволил упростить разрешающую систему дифференциальных уравнений, полученную с помощью метода разложения искомых функций в ряды Фурье. Применение метода ортогональной прогонки позволило- 1 получить эффективное решение задачи и разработать устойчивый алгоритм расчета, позволяющий выполнить детальное исследование напряженно-деформированного состояния конструкций с учетом сил контактного взаимодействия корпуса сосуда с ложементами.

Численная реализация разработанного алгоритма расчета резервуаров на прочность осуществлена в виде программного обеспечения с использованием блочно-иерархического подхода к проектированию вычислительных процессов и методов структурного программирования и с учетом возможностей средств вычислительной техники для обеспечения приемлемого компромисса между требованиями высокой точности результатов расчета и экономичности по затратам времени на машинный анализ. Программное обеспечение имеет модульную структуру и содержит ряд программных комплексов, которые могут быть использованы как в автономном режиме, так и в системах автоматизированного проектирования. Адекватность предложенных математических моделей, устойчивость разработанного алгоритма расчета, надежность работы программного обеспечения и достоверность получаемых с помощью предложенного метода результатов подтверждены экспериментальными данными, результатами многократного тестирования к длительной практикой успешной эксплуатации.

Применение предложенного метода расчета для систематического анализа характерных особенностей работы резервуаров позволило получить ряд важных результатов, обеспечивших эффективное решение задачи оптимального проектирования исследуемых конструкций. Методами численного эксперимента изучено влияние конструктивных параметров на напряженно-деформированное состояние изделии, остановлено, что максимальный уровень интенсивности напряжений наблюдается, как правило, в точках наружной поверхности резервуара в зоне, непосредственно примыкающей к ложементу и зависит от конструктивных параметров сосуда в различной степени. В наибольшей степени интенсивность напряжений зависит от безразмерной толщины стенки сосуда (отношения толщины стенки к диаметру резервуара). От угла охвата седловой опоры величина напряжений в сосуде зависит слабо.

Показано, что прогибы стенки сосуда достигают максимальных значений в среднем поперечном сечении конструкции. Величина максимального прогиба и, соответственно, жесткость конструкции существенно зависят от всех рассматриваемых конструктивных параметров и в наибольшей степени от безразмерной толщины стенки сосуда. Установлено, что зависимости прогиба от конструктивных параметров монотонны.

Результаты численного анализа работы широкого ряда конструкций позволили обосновать постановку задачи оптимального проектирования горизонтальных резервуаров и сформулировать ее как задачу глобальной минимизации целевой функции безразмерных конструктивных параметров, характеризующей материалоемкость изделий, при наличии прямых ограничений, обусловленных требованиями технологического процесса их изготовления, и функциональных ограничений, связанных с условиями работоспособности конструкции.

На основе предложенного метода направленного сканирования пространства проектирования на детерминированной сетке с использованием равномерно распределенной последовательности пробных точек получено решение задачи параметрической оптимизации резервуаров для широкого диапазона изменения конструктивных параметров. Осуществлена численная реализация предложенного метода оптимизации в виде программного обеспечения для ЭВМ, на основе которого разработана инженерная методика оптимального проектирования резервуаров. Показана эффективность предложенного метода оптимизации для решения задач, связанных с разработкой новых и модернизации существующих конструкций. Показано, что оптимизация конструктивных параметров резервуара позволяет снизить материалоемкость конструкции более, чем на 20%.

Разработанный алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния горизонтальных цилиндрических резервуаров, инженерная методика оптимального проектирования и результаты выполненных исследований внедрены на Моршанском заводе хи.

126 мического машиностроения, а также на ряде других предприятий и использованы при создании новых и модернизации существующих конструкций сосудов и резервуаров различного назначения. Оригинальные технические решения, полученные в процессе работы, защищены авторскими свидетельствами. Работоспособность и высокая надежность оборудования подтверждены его длительной безотказной работой в сложных условиях эксплуатации.

Реальный экономический эффект от внедрения результатов работы, подтвержденный документами, составил 4 14 135 рублей.