IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Для конечно-элементного моделирования процесса деформирования элемента магистрального газопровода была выбрана система ANSYS Mechanical APDL [1]. В качестве представительного фрагмента [2-3] моделировался надземный отрезок трубы (рис.1), длинной 11 м, наружным диаметром 159 мм и толщиной стенки 3,5 мм. В середине трубы был смоделирован ее поворот на угол 90с внутренним и наружным радиусом закругления 400 мм. Материал – сталь, с механическими характеристиками: модуль упругости 1-го рода (модуль Юнга) Е = 210 ГПа, коэффициент Пуассона и плотностью .

В качестве внешней нагрузки выступали собственный вес трубы, который автоматически вычисляется в системе ANSYS по заданной плотности материала, внутреннее давление в газопроводе P = 1,2 МПа, а также нагрузка, вызванная намерзанием льда на верхней поверхности трубы (рис.2).

В первом приближении предполагается, что лед равномерно распределен по всей длине трубы. Нагрузка от такого распределения определялась через вес намерзшего льда с плотностью .

Рис.1. Моделирование отрезка магистрального газопровода

Рис.2. Моделирование нагрузки от намерзания льда на верхней поверхности трубы

В качестве конечного элемента был выбран SOLID 185, трехмерный 8-ми узловой конечный элемент [4-5], позволяющий моделировать твердотельные тела в системе ANSYS Mechanical APDL.

На левом и правом торце трубы (в сечениях A и D на рис.1) заданы условия симметрии. В крайних нижних точках в поперечных сечениях A, B, C и D запрещены перемещения по вертикальной оси. Для того, чтобы модель была кинетически неизменяемой, пренебрегая деформацией от температурных нагрузок, дополнительно, в сечении A и D наложены ограничения на продольное перемещение.

Результаты моделирования

После проведения расчетов в системе ANSYS Mechanical APDL были получены следующие результаты (рис.3-5).

Рис.3. Эквивалентные напряжения по Мизесу (4-я теория прочности) в Па

Рис.4. Упругие деформации

Рис.5. Вертикальные перемещения в м

Анализируя результаты расчетов, учитывая принцип Сен-Венана об области вокруг точек приложения сил и местах закрепления, можно сделать вывод, что максимальные напряжения и деформации возникают в середине пролетов между опорами, что согласуется с основами аналитических расчетов в связи с образованием изгибающих моментов от веса трубы и льда. При этом в области поворота трубы, между сечениями B и C, обнаружены незначительные положительные перемещения по вертикальной оси, что определяется действием внутреннего давления в трубе и наличием опор в сечениях B и C.

Полученные результаты и алгоритм моделирования в поставленной задаче можно рассматривать как основы создания модели магистрального газопровода и применять при расчете напряженно-деформированного состояния элементов конструкций.

Литература

1. ANSYS release 14.0 Documentation for ANSYS [Электронный ресурс]: ANSYS Inc. — Электрон. дан. и прогр. — [Б. м.], 2012.

2. Кожанов Д.А., Лихачева С.Ю. Моделирование процессов деформирования каменных кладок с применением ПК ANSYS // Труды научного конгресса 13-го Российского архитектурно-строительного форума. Н. Новгород; ННГАСУ, 2015, стр. 68-71

3. Основные этапы создания модели кирпичной кладки в системе ANSYS // Труды научного конгресса 14-го Российского архитектурно-строительного форума. Н. Новгород; ННГАСУ, 2016, стр. 102-105

4. Кожанов Д.А. Особенности конечно-элементного моделирования вида структурного элемента гибких тканых композитов // Научно-технические ведомости СПбПУ. Физико – математические науки. Выпуск 1 (237). Санкт-Петербург; Изд-во СПбПУ; 2016 г.; С. 7-15.

5. Берендеев Н.Н., Кожанов Д.А., Любимов А.К. Структурная модель гибкого тканого композита // Проблемы прочности и пластичности. Н. Новгород; ННГУ; 2015; с. 162-171.