Вследствие непрерывного возрастания требований к долговечности, надежности, экономичности и экологической безопасности расчеты на прочность становятся все более сложными. Они должны учитывать различные режимы работы, реальные свойства материалов и условия нагружения, а также давать возможность отслеживания поведение конструкции на протяжении всего жизненного цикла. Для аппаратов, работающих в условиях нестационарного термомеханического нагружения особенно важно исследовать поведение конструкции в процессе эксплуатации.
Наиболее распространенным элементом аппаратов химической промышленности является трубка. И первым видом разрушений труб является постепенно нарастающее разрушение, которому предшествует пластическая деформация. Поэтому актуальной является задача анализа несущей способности и ресурса трубчатых систем при циклично меняющихся температурах и внешней нагрузке. Анализ возможно осуществить шаговым методом, позволяющим проследить изменение деформации в процессе развития условий нагружения. Несмотря на то, что шаговые методы расчета трудоемки на сегодняшний день развитие аппаратного и программного обеспечения позволяет разработать программу для исследования конструкции. Для этого необходимо разработать алгоритм и программное обеспечение для анализа несущей способности и ресурса стержневых систем.
Рассматриваем работу конструкции в упругопластической стадии с учетом истории нагружения. При расчете учитываем возможность изменения знаков напряжений и пластических деформаций, а также физико-механических свойств конструкционного материала в процессе нагружения. Математическая модель упругопластического деформирования материала описывается системой уравнений теории неизотермического пластического течения с трансляционным и изотропным упрочнением. Решение задачи строим в предположении существования главных осей, общих для всех узловых точек рассматриваемой конструкции. Полная система уравнений при расчете конструкций состоит из трех групп уравнений [1]. Предложенная математическая модель использована при разработке математического и программного обеспечения компьютерного анализа упругопластического деформирования рассматриваемых элементов конструкции.
Разработанный программный комплекс «Life Cycle» применен как инструмент исследования для анализа несущей способности и располагаемого ресурса трубчатых элементов теплообменных аппаратов. В качестве испытательного образца взят трубчатый элемент диаметром 25 мм, толщиной стенки 2 мм теплообменного аппарата ХНМ. Элемент выполнен из циклически стабильного материала Ст3. При расчете принимаем следующие значения физико-механических характеристик материала: E = 2·105 – 100·T (МПа), α = 1,5·10 – 5 + 5·10 – 9T (К-1), σ0,2 = 200 (МПа). Конструкция нагружена внутренним давлением, осевым усилием и температурой. Выясняем, какая последовательность нагружения является оптимальной для конструкции относительно величины накопленных деформаций и накопленных повреждений. Проведены шесть серий опытов с разной очередностью приложения нагрузок, которые показали, что скорость накопления повреждений существенно зависит от порядка приложения нагрузок. Наибольшая скорость накопления повреждений зафиксирована при поочередном приложении осевого усилия, температуры, внутреннего давления. Тогда как наименьшее накопленное повреждение при режиме температура – внутреннее давление – осевое усилие. При этом разница между худшим и лучшим режимами в среднем составляет 20 %. Максимальное отклонение результатов – 59 %.
Результаты проведенного исследования показывают, что напряженно-деформированное состояние и параметры процессов пластического течения и накопления повреждений существенно зависят от характера режима нагружения. Наблюдаемые эффекты подтверждают необходимость учета истории нагружения при обосновании несущей способности и ресурса оборудования. Показана принципиальная возможность применения предложенного метода для решения задач оптимизации режимов эксплуатации оборудования по критериям надежности и долговечности.