Рат тынысбек лы напряженно-деформированное состояние предварительно напряженных цилиндрических оболочек с учетом температурных воздействий

УДК 624.042.5:074.433 На правах рукописи

Серікбаев тремрат тынысбеклы

Напряженно-деформированное состояние предварительно напряженных цилиндрических оболочек с учетом температурных воздействий

01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Республика Казахстан

Шымкент, 2010

Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова Министерства образования и науки Республики Казахстан.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Айнабеков А.И.

доктор технических наук, профессор

Арапов Б.Р.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мирсаидов М.

кандидат технических наук

Такибаева Г.А.

Ведущая организация: Кыргызский государственный

университет строительства,

транспорта и архитектуры

Защита состоится 12 февраля 2010г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О.Ауезова в ауд. 342 главного корпуса по адресу: 160012 г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5, каб. 215.

Автореферат разослан « » января 2010г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 14.23.01

доктор технических наук, профессор: Волненко А.А.

Введение

Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных цилиндрических оболочек с учетом температурных воздействий. Основу исследований составляют теоретическая и экспериментальная оценка напряженного состояния стенки цилиндрической оболочки и обмотки, и изучение возможности управления напряженным состоянием оболочки с учетом конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных напряжений.

Актуальность темы. Среди многообразия инженерных идей и тенденций предварительное напряжение металлических конструкций, начиная с 60-х годов благодаря своей прогрессивности, находит все более широкое признание во всем мире.

Прогрессивность идеи предварительного напряжения заключается с одной стороны, в возможности регулирования напряженного состояния в соответствии с особенностью работы конструкции, а с другой – в расширении экономически выгодного диапазона применения сталей повышенной и высокой прочности.

Такое упрочнение актуально и для цилиндрических оболочек пропускная способность или объемы хранения которых прямо пропорциональны рабочему давлению. Наиболее эффективным видом предварительного напряжения при этом считается навивка на корпус оболочки под углом к продольной оси либо в кольцевом направлении без наклона высокопрочного профиля.

Основная идея такой комбинированной оболочки заключается в создании напряжений обратных по знаку напряжениям от эксплуатационной нагрузки. При этом в процессе работы конструкций под эксплуатационной нагрузкой вначале погашаются предварительные напряжения, а затем основные напряжения нарастают до достижения расчетного сопротивления материала оболочки. Предварительным напряжением не только повышается несущая способность конструкций, но и повышается ее жесткость или уменьшаются конечные деформации. Эффективность работы предварительно напряженной оболочки повышается, если в результате ее выравниваются продольные и кольцевые напряжения в стенке оболочки, что приводит к равнопрочности и повышению надежности конструкций.

Проведенный анализ литературных источников свидетельствует о многообразии свойств, особенностей поведения и условий эксплуатации предварительно напряженной оболочки по сравнению с оболочкой без предварительного напряжения. Однако при этом для анализа напряженно-деформированного состояния в основном рассматриваются параметры материала и предварительного напряжения без учета эксплуатационных условий.

Совместное влияние конструктивных параметров предварительного напряжения и параметров условий эксплуатации на напряженно – деформированное состояние оболочки рассматривается вне зависимости друг от друга. Нет комплексности и системности в учете эксплуатационных условий (особенно тех, которые влияют на достигнутый уровень предварительного напряжения) и параметров предварительного напряжения при оценке напряженно-деформированного состояния и долговечности предварительно напряженных оболочек.

Очевидно, температурные нагрузки не только влияют на напряженное состояние стенки оболочки и обмотки, но и влияют на достигнутый уровень предварительного напряжения, снижая эффективность предварительного напряжения. Формулы оценки влияния параметров предварительного напряжения на напряженно-деформированное состояние комбинированной оболочки в процессе нагружения его внутренним давлением являются несовершенными в силу невозможности учета влияния температурных нагрузок. Вместе с тем не разработана методика инженерного расчета предварительно напряженных оболочек с учетом параметров предварительного напряжения и температурных воздействий.

В связи с этим, тема диссертационного исследования, направленная на оценку напряженно-деформированного состояния предварительно напряженной оболочки с учетом совместного влияния конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий и разработке инженерного метода расчета прочности и долговечности является весьма актуальной технической задачей, имеющей научно-практический интерес.

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой, включенной в тематический план НИР ЮКГУ им. М. Ауезова Б-ТН-06-05-06 «Исследование влияния технологических и эксплуатационных условий на прочность оборудования и конструкций и разработка эффективных методов повышения прочности и защиты от коррозии» на 2005-2010 годы.

Целью работы является экспериментальная и теоретическая оценка совместного влияния конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние предварительно напряженной цилиндрической оболочки, работающей под внутренним давлением, и разработка на этой основе методики инженерного расчета конструкций.

Для достижения цели работы были поставлены и решались следующие задачи:

- анализ и обобщение литературных данных об особенностях работы, основных принципах проектирования, расчета прочности и долговечности, оценки напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных цилиндрических оболочек;

- проведение теоретических исследований и получение аналитических зависимостей для оценки напряженно-деформированного состояния предварительно напряженной оболочки с учетом конструктивных параметров обмотки и температурных воздействий;

-проведение экспериментальных исследований фрагментов предварительно напряженной цилиндрической оболочки и оценка ее напряженно-деформированного состояния с учетом конструктивных параметров обмотки температурных воздействий;

- на основе полученных результатов испытаний фрагментов оболочек оценить влияния температурных напряжений на напряженно-деформированное состояние стенки оболочки и обмотки;

-теоретически оценить влияние температурных воздействий на долговечность предварительно напряженной оболочки;

-разработать инженерную методику расчета предварительно напряженных цилиндрических оболочек, учитывающую совместное влияние параметров предварительного напряжения и температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние оболочки.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- получены аналитические зависимости напряженно-деформированного состояния предварительно напряженной цилиндрической оболочки от совместного влияния параметров предварительного напряжения и температурных воздействий;

-выявлены особенности напряженно-деформированного состояния стенки фрагмента цилиндрической оболочки и обмотки и получены данные о распределении кольцевых и продольных напряжений в стенке оболочки при различных параметрах предварительного напряжения и температурных воздействиях;

-оценено влияние температурных напряжений на долговечность предварительно напряженной оболочки и получены соотношения для оценки ее ресурса с учетом параметров предварительного напряжения и температурных воздействий;

- разработана инженерная методика расчета прочности предварительно напряженных оболочек с учетом совместного влияния конструктивных параметров обмотки и температурных воздействий.

Научные положения, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости напряженно-деформированного состояния предварительно напряженной оболочки от конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий;

-результаты экспериментальной оценки напряженного состояния стенки фрагментов предварительно напряженных оболочек с различными конструктивными параметрами обмотки на температурные воздействия;

-предложенные формулы расчета допускаемых амплитуды напряжений и числа циклов нагружения с учетом температурных воздействий;

-методика инженерного расчета и рационального проектирования предварительно напряженных цилиндрических оболочек с учетом совместного влияния параметров обмотки и температурных воздействий из условия полного использования несущей способности конструкций.

Практическая значимость полученных результатов состоит в предложенных аналитических зависимостях напряженно-деформированного состояния предварительно напряженной оболочки от параметров предварительного напряжения и температурных воздействий, которые позволяют оценить действительную работу предварительно напряженных оболочек и рационально использовать предварительное напряжение при проектировании подобных конструкций.

Предложенные рекомендации по расчету долговечности предварительно напряженных оболочек позволяют более достоверно оценить ресурс конструкций и эффективность применения предварительного напряжения в цилиндрических оболочках при известных конструктивных параметрах предварительного напряжения и температурных воздействиях.

Разработанная методика инженерного расчета прочности предварительно напряженных цилиндрических оболочек, основанная на учете конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий, может быть использована при проектировании трубопроводов, резервуаров, газгольдеров, сосудов и аппаратов высокого давления, а также в вузах при преподавании ряда дисциплин специального курса.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается:

- применением стандартных и апробированных методик испытаний моделей конструкций, смоделированных с использованием классической теории механического подобия, основанных на анализе размерностей физических величин, описывающих исследуемое явление;

-использованием фундаментальных законов механики, теории тонкостенных упругих оболочек и теории термоупругости;

-математической корректностью постановки и решения задач, сравнением конечных результатов с известными в литературе данными, результатами собственных экспериментальных исследовании и удовлетворительной их сходимостью;

-достаточной степенью апробации результатов работы и их непротиворечивостью с фундаментальными положениями механики.

Практическая реализация результатов работы. Разработанная методика инженерного расчета и полученные формулы оценки долговечности предварительно напряженных цилиндрических оболочек переданы в ТОО «Юсталькон» для практического внедрения при проектировании новых и усилении существующих вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов, в ТОО «Юктехснаб» - для практического внедрения в проект магистрального водовода в г.Кентау ЮКО, Сайрамскому ГУ ЮКПФ АО «КазТрансГаз-Аймак» - для использования в проектировочных расчетах и усилении конструкций магистральных газопроводов высокого давления.

Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил

3 305 600 тенге.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на Международных научных и научно-практических конференциях: «II – Ержановские чтения» (г.Актобе 2007г.); «Доклады пятых международных научных Надировских чтений» (г. Алматы - Актобе 2007г.); «Современные проблемы механики» (г. Самарканд, 2007г.); «Архитектура и строительство Казахстана в новом тысячелетии» (г.Алматы, 2008г.).

Основная часть

Во введении дана оценка современного состояния вопросов проектирования и расчета предварительно напряженных цилиндрических оболочек, основание и исходные данные для разработки темы, обосновывается необходимость проведения настоящих исследований и актуальность темы работы, сведения о метрологическом обеспечении диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отражены научная новизна, практическая значимость и степень реализации результатов работы, обоснованность и достоверность научных положении и выводов, выносимых на защиту.

В первом разделе диссертационной работы произведен анализ особенностей работы и проектирования предварительно напряженных цилиндрических оболочек. Проанализированы работы, посвященные вопросам практической реализации предварительного напряжения в круговых цилиндрических оболочках.

Изучены и проанализированы методы расчета прочности предварительно напряженных цилиндрических оболочек, а также основные положения расчета однослойных цилиндрических оболочек на температурные воздействия и расчета их долговечности.

Проведенный анализ литературных источников свидетельствует о том, что на сегодня довольно полно разработаны методики прочностного расчета предварительно напряженной оболочки, выведены основные расчетные формулы определения напряжений в стенке оболочки и обмотке, установлены зависимости напряженно деформированного состояния оболочки от параметров предварительного напряжения.

Отмечено, что на практике такие конструкции нередко работают под воздействием температур, а в ряде случаев приходится рассматривать вопрос о дополнительных напряжениях, возникающих под действием температурных нагрузок.

Хотя в литературе довольно подробно освещены вопросы теории температурных напряжений, определены принципы расчета однослойных цилиндрических оболочек, применительно к предварительно напряженным конструкциям, исследований напряженно-деформированного состояния оболочки с учетом совместного влияния конструктивных параметров обмотки и температурных воздействий на сегодня практически нет.

Отмечается, что сложность решаемой задачи заключается в том, что при воздействий температурных нагрузок в предварительно напряженной оболочке общие напряжения будут складываться из рабочих напряжений, возникающих от эксплуатационных нагрузок, температурных напряжений и достигнутого в результате навивки предварительного напряжения, которую следует рассматривать в функции от температуры.

Во втором разделе диссертационной работы теоретически изучено совместное влияние конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий на напряженно-деформированное состояние предварительно напряженной цилиндрической оболочки.

Рассмотрено напряженно-деформированное состояние закрытой по концам тонкостенной цилиндрической оболочки средней длины радиуса , находящейся под внутренним давлением .

На основе условия равновесия элемента стенки оболочки, в соответствии с рисунком 1, получены зависимости между усилиями по границам элемента обмотки и удлинениями по соответствующим осям в виде:

; (1)

. (2)

Рисунок 1 – Элемент оболочки с навитой нитью обмотки под углом

Оценено начальное напряжение от предварительного натяжения нити обмотки и получены формулы для определения напряжений в обмотке и давления, возникающего в стенке оболочки под нитью обмотки:

(3)

где , (4)

(5)

Получены выражения для определения кольцевых и продольных напряжений в стенке оболочки и напряжений в обмотке , учитывающих конструктивные параметры предварительного напряжения и температурные напряжения, а также формулы для определения относительных деформации в стенке оболочки:

(6)

(7)

; (8)

(9)

(10)

Анализ полученных расчетных формул показал, что распределение напряжений и прочность предварительно напряженной оболочки во многом зависит от угла намотки нити обмотки , от отношения толщин стенки оболочки и обмотки /, отношения модулей упругости материалов оболочки и обмотки , от величины предварительного натяжения нити обмотки , соотношения коэффициентов температурного расширения материалов оболочки и обмотки , а также температурного градиента .

На основе формул (6), (7) и (8) проведен расчет по оценке влияния конструктивных параметров обмотки и температуры на напряженно-деформированное состояние цилиндрической оболочки при следующих параметрах: .

В соответствии с рисунком 2, установлено, что кольцевые напряжения в стенке оболочки с повышением градиента температуры увеличиваются, а уровень достигнутого предварительного напряжения значительно уменьшается.

Рисунок 2 – Зависимости напряжений в стенке оболочки и обмотке от градиента температуры

В третьем разделе диссертационной работы обсуждены результаты экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния фрагментов предварительно напряженных оболочек при температурных воздействиях. Описаны вопросы моделирования термомеханического подобия цилиндрической оболочки с учетом особенностей конструкций тонкостенных оболочек с применением простого и аффинного соответствия модели и натурного объекта и методика проведения испытаний, фрагмента предварительно напряженной цилиндрической оболочки. Установлены основные критерии и коэффициенты подобия модели и натурной конструкции магистрального газопровода.

Экспериментальные исследования проведены на фрагментах цилиндрических оболочек различных диаметров и толщин. В качестве намотки использована проволока по ГОСТ 5663-79 диаметром 1мм. Основные механические характеристики материалов оболочки и проволоки определены механическими испытаниями и металлографическим анализом согласно ГОСТ 27069-86. Навивка проволоки осуществлялась специальной установкой, позволяющей контролировать усилие, шаг и угол намотки нити.

Общий вид фрагментов предварительно напряженной цилиндрической оболочки, подготовленных к испытаниям, представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Общий вид фрагментов предварительно напряженных цилиндрических оболочек

Измерение напряжений в стенке оболочки производилось в характерных сечениях стенки оболочки с использованием тензометрических методов измерения.

В качестве первичных преобразователей измерения относительных деформаций использованы термокомпенсированные, одноэлементные проволочные петлевые тензорезисторы на комбинированной органо-металлической основе типа НМТ-450-5-100 с базой 10мм и сопротивлением 100 Ом, предназначенных для проведения измерений при температурах 225-7250 К.

Тензодатчики наклеивались таким образом, чтобы в одной точке внутренней поверхности стенки предоставлялась возможность измерения кольцевых и продольных напряжений.

В качестве вторичной измерительной аппаратуры служил автоматический измеритель деформации АИД – 4М в комплекте с автоматическим переключателем АП – 1, позволяющий производить измерения в диапазоне е.о.д.

Для моделирования равномерного нагрева, подготовленный к испытаниям фрагмент оболочки помещался в суховоздушный шкаф ШС-80. Нагрев производили ступенчато с градиентом температуры +100С до температуры +600С. На каждой ступени нагрева производилась запись показаний приборов.

Результаты экспериментов на моделях оболочек, в соответствии с рисунком 4, подтвердили ранее установленные в расчетных экспериментах особенности и сложный характер напряженно-деформированного состояния предварительно напряженных оболочек по сравнению с традиционной конструкцией.

В целом следует отметить, что с увеличением градиента температуры, достигнутые за счет натяжения обмотки, предварительные напряжения во всех испытанных моделях снизились. Так, при градиенте температуры 10 0С это

Рисунок 4 – Изменение начальных кольцевых напряжений в стенке фрагмента оболочки при различных температурах испытаний

снижение составило 20-22 %, а при градиенте 50 0С достигнутое предварительное напряжение в стенке оболочки сводится к нулю.

Сравнение экспериментальных значений с расчетными значениями напряжений показал удовлетворительную сходимость результатов.

Испытаниями фрагментов цилиндрических оболочек, подтвержден вывод о том, что температурные воздействия значительно влияют на напряженно-деформированное состояние предварительно напряженной оболочки, снижая достигнутый в результате обмотки проволоки уровень предварительного напряжения.

В четвертом разделе предложена инженерная методика расчета прочности предварительно напряженной цилиндрической оболочки с учетом совместного влияния конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий. В соответствии с рисунком 5, составлен в виде блок-схемы алгоритм разработанной методики. С целью удобства использования расчетных формул по данному алгоритму разработана программа «PNCO» на языке TURBO PASKAL.

С учетом того, что многие цилиндрические оболочки работают в режиме малоциклового нагружения и, принимая во внимание влияние температурных нагрузок на напряженно-деформированное состояние оболочек, рассмотрено влияние температуры на малоцикловую усталость предварительно напряженных оболочек. Предложено амплитуду напряжений в предварительно напряженной оболочке с учетом температурных воздействий определять по формуле:

. (11)

нет

да

нет

да

Рисунок 5- Алгоритм инженерного расчета предварительно напряженной оболочки на температурные воздействия

Результаты поверочных расчетов показали, что количество циклов до разрушения предварительно напряженного магистрального газопровода при градиенте температуры 60 оС уменьшились почти в два раза.

В разделе описана технология намотки нити обмотки на корпус цилиндрической оболочки и получения предварительно напряженной оболочки.

Результаты исследования внедрены в виде рекомендаций по расчету предварительно напряженных трубопроводов и резервуаров с учетом температурных воздействий в ТОО «Юсталькон», ТОО «Юктехснаб» и Сайрамском ГУ ЮКПФ АО «КазТрансГаз-Аймак» с общим экономическим эффектом 3 305 600 тенге.

Заключение

Краткие выводы по результатам диссертационного исследования:

1. По результатам анализа работы тонкостенной цилиндрической оболочки из изотропного материала, обжатого напряженной проволочной обмоткой, нагруженной внутренним давлением при условии равновесия элемента стенки оболочки получены зависимости между усилиями по границам элемента оболочки и удлинениями по соответствующим осям, с учетом совместного влияния конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий.

2. Оценено начальное напряжение от предварительного натяжения нити обмотки и получены уравнения для определения кольцевых и продольных напряжений в стенке оболочки и обмотке. Получены формулы для определения давления, возникающего в стенке оболочки под нитью обмотки и относительных деформаций в стенке оболочки.

3.Установлено, что распределение напряжений и прочность предварительно напряженной оболочки во многом зависит от угла намотки нити обмотки, отношения толщин стенки оболочки и обмотки, отношения модулей упругости материалов оболочки и обмотки, достигнутого уровня предварительного напряжения, а также от соотношения коэффициентов температурного расширения материалов оболочки и обмотки.

4. Выявлено, что температурные воздействия оказывают существенное влияние на распределение напряжений в стенке оболочки и обмотке. При повышении градиента температуры уменьшается достигнутый в цилиндрической оболочке уровень предварительного напряжения, а также напряжения в обмотке. Расчетами установлено, что при градиенте температуры 300С уменьшение предварительного напряжения от навивки напряженной обмотки в стенке оболочки составил 10-12% по сравнению с начальными.

5. Экспериментальными исследованиями фрагментов цилиндрических оболочек различных диаметров и толщин стенки, количественно и качественно подтвержден вывод о том, что температурные нагрузки не только влияют на основные напряжения в стенке оболочки и обмотке, но и снижают достигнутый в результате навивки нити обмотки уровень начальных предварительных напряжений в стенке оболочки, что отнесено к неблагоприятному моменту в работе конструкций.

6. Предложена методика инженерного расчета предварительно напряженных оболочек с учетом температурных воздействий, основанная на условии обеспечения устойчивости стенки оболочки от обжатия нитью обмотки и оптимальных параметрах предварительного напряжения. Составлен алгоритм расчета и программа для расчета компонент напряжений в стенке оболочки и обмотке на языке TURBO PASKAL и проведен расчетный эксперимент натурных конструкций.

7. Оценено влияние температурных нагрузок на долговечность предварительно напряженных оболочек. Описан порядок определения амплитуд напряжений в оболочке, расчета малоцикловой усталости предварительных напряженных оболочек с учетом совместного влияния конструктивных параметров обмотки и температурных напряжений. На основе разработанного алгоритма расчета малоцикловой усталости определен ресурс предварительно напряженного напорного трубопровода теплотрассы с учетом температурных воздействий.

Оценка полноты решений поставленных задач. Согласно поставленных перед работой цели и задач изучено напряженно-деформированное состояние предварительно напряженной цилиндрической оболочки и получены аналитические зависимости позволяющие оценить напряженное состояние с учетом совместного влияния конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий, проведены экспериментальные исследования работы и напряженного состояния фрагментов предварительно напряженной оболочки на эксплуатационные температурные воздействия и оценено ее влияние на напряженно-деформируемое состояние оболочки, разработана методика инженерного расчета прочности и предложены формулы оценки долговечности предварительно напряженных оболочек с учетом температурных воздействий.

Результаты исследования доведены до внедрения в производство, что подтверждает полноту решения поставленных перед работой задач.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Методика расчета прочности и расчетные формулы долговечности предварительно напряженных цилиндрических оболочек могут быть использованы инженерно-техническими работниками научно-исследовательских и проектных организации различных отраслей промышленности при проектировании новых и усилении существующих сосудов и аппаратов давления, резервуаров, трубопроводов, газгольдеров и других цилиндрических оболочек, а также в вузах при преподавании ряда технических дисциплин.

Исходными данными по использованию результатов исследования являются существующие конструктивные решения цилиндрических оболочек, методы и методики расчета прочности и долговечности оболочек, основные нормативно-технические документы и параметры эксплуатационного режима цилиндрических оболочек.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Ожидаемый экономический эффект от внедрения в проекты результатов выполненной работы составил в ТОО «Юсталькон» - 278800 тенге, в ТОО «Юктехснаб» - 606800 тенге, в Сайрамский ГУ ЮКПФ АО «КазТрансГаз-Аймак» - 2420000 тенге.

Общий экономический эффект от внедрения результатов работы составил 3 305 600 тенге.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Результаты работы значительно дополняют ранее известные данные о работе и расчете прочности и долговечности, предварительно напряженных оболочек и позволяют выявить напряженно-деформированное состояние стенки предварительно напряженной обмоткой цилиндрической оболочки с учетом совместного влияния конструктивных параметров предварительного напряжения и температурных воздействий.

Результаты работы позволили выявить влияние температурных воздействий на напряженное состояние предварительно напряженной оболочки, предложить инженерную методику расчета прочности и формулы оценки долговечности предварительно напряженных оболочек.

В сравнении с известными методиками расчета прочности и долговечности цилиндрических оболочек предлагаемая методика расчета прочности и формулы оценки долговечности предварительно напряженных оболочек учитывают совместное влияние конструктивных параметров обмотки и температурных воздействий.

Условные обозначения: R – радиус оболочки, м; Е1, Е2 – модули упругости материалов оболочки и обмотки, МПа; , – толщины стенки оболочки и обмотки, м; р – внутреннее давление в оболочке, МПа; Pх – продольное усилие в оболочке, Н; – предварительные напряжения в стенке оболочки, МПа; , – кольцевые и продольные напряжения в стенке оболочки, МПа; – напряжения в обмотке, МПа; R1, R2 – расчетные пределы прочности материала оболочки и обмотки, МПа; а – шаг навивки нити обмотки, м; – угол навивки нити обмотки, в градусах; d – диаметр проволоки обмотки, м; – натяжение, м; – коэффициент Пуассона; – кольцевые и продольные относительные деформации в стенке оболочки; – коэффициент релаксации напряжений в нити обмотки; ,– температурные коэффициенты линейного расширения материалов стенки оболочки и обмотки, 0С-1; – размах колебания расчетной температуры, 0С; – размах предварительных напряжений, МПа; – допускаемые предварительные напряжения, МПа.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Молдагалиев А.Б., Серикбаев Т.Т. Моделирование термомеханического подобия оболочки при простом соответствии модели и натурного объекта // Механика и моделирование процессов технологии. - 2006, №2 – С. 388-391.

2. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Джумабаев А.А., Жанабай Н.Ж., Серикбаев Т.Т. К расчету предварительно напряженной цилиндрической оболочки с учетом параметров предварительного напряжения //Мат. межд. научно-техн. конф., посв. 70-летию акад. Т.Ш. Ширинкулова. «Современные проблемы механики». –Самарканд, 2007.– С.12-15.

3. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Жанабай Н.Ж., Серикбаев Т.Т. Оценка напряженного состояния стенки магистральных трубопроводов, упрочненных высокопрочной обмоткой // Материалы международной научно-технической конф., «II Ержановские чтения». – Актобе, 2007. – С.17-19.

4. Сулейменов У.С., Шупакова Р.А., Жанабай Н.Ж., Сералиев Г.Е., Серикбаев Т.Т. Методика инженерного расчета и оптимального проектирования конструкции предварительно - напряженных трубопроводов // Доклады пятых международных Надировских чтений «Научно-технологические развитие нефтегазового комплекса». Алматы - Актобе, 2007. - С. 318-322.

5. Айнабеков А.И., Молдагалиев А.Б., Серикбаев Т.Т. Термомеханическое подобие цилиндрических оболочек при простом и аффинном соответствии модели и натурного объекта //Наука и образование Южного Казахстана.– 2008, №2 (67).– С. 104-108.

6. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Молдагалиев А.Б., Серикбаев Т.Т. Критерии термомеханического подобия цилиндрических оболочек при аффинном соответствии модели и натурного объекта // Механика и моделирование процессов технологии. - 2008. - №1. - С. 23-27.

7. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Молдагалиев А.Б., Серикбаев Т.Т. Методика испытаний тонкостенной предварительно напряженной оболочки на температурные воздействия// Труды Международной научно-практической конференции «Архитектура и строительство в новом тысячелетии». - Алматы. 2008. – С. 158-161.

8. Сулейменов У.С., Шупакова Р.А., Молдагалиев А.Б., Серикбаев Т.Т., Тулешов М.О. Расчет предварительно напряженных цилиндрических оболочек с учетом температурных воздействий // Механика и моделирование процессов технологии. - 2008. - №2. - С. 183-186.

9. Айнабеков А.И., Сулейменов У.С., Серикбаев Т.Т. Расчет прочности цилиндрических оболочек, усиленных высокопрочной обмоткой и работающих под давлением и влиянием температурных воздействий // Наука и образование Южного Казахстана. - 2009. - №3 (76). - С. 83-87.

10. Айнабеков А.И., Арапов Б.Р., Шупакова Р.А., Молдагалиев А.Б., Серикбаев Т.Т. Влияние температурных воздействий на напряженное состояние предварительно напряженной цилиндрической оболочки // Вестник МКТУ им. А. Яссауи. - 2009. - №2 (65). - C. 7-11.

11. Айнабеков А.И., Арапов Б.Р., Серикбаев Т.Т. Расчет цилиндрических оболочек, работающих под внутренним давлением и усиленных высокопрочной проволокой // Вестник МКТУ им. А. Яссауи. - 2009. - №2 (65). - C. 109-114.

12. Айнабеков А.И., Арапов Б.Р., Жанабай Н.Ж., Серикбаев Т.Т. Особенности испытаний моделей цилиндрических оболочек с проволочной обмоткой на температурные нагрузки // Наука и образование Южного Казахстана. - 2009. - №5 (78). - С. 65-69.

Серікбаев Тремрат Тынысбеклы

«Температуралы серлердегі алдын-ала кернеуленген цилиндрлік абышаны кернеулену-деформациялану кйі»

01.02.04 – Деформацияланатын атты дене механикасы

мамандыы бойынша техника ылымдарыны кандидаты

ылыми дрежесін алуа арналан диссертацияа

ТЖЫРЫМ

Зерттеу нысаны. Ішкі ысымда жмыс істейтін алдын-ала кернеуленген цилиндрлік абышалар.

Жмысты масаты. Ішкі ысымда жмыс істейтін алдын-ала кернеу-ленген цилиндрлік абышаны кернеулену жне деформациялану кйіне температуралы жктемелерді жне алдын-ала кернеуді конструкциялы параметрлеріні біріккен серін теориялы жне тжірибелік зерттеу жне оны негізінде есептеуді инженерлік тсілін жасау.

Жмысты жргізу тсілдері мен дістері. Цилиндрлік абышаны геометриялы лшемдері мен термомеханикалы кйін лгілеу састыты классикалы теориясы мен физикалы шамаларды лшембірліктерін талдауа сйенген арапайым жне аффиндік састы тсілдерін олдана жргізілді.

Цилиндрлік абышаларды тжірибелік сынау конструкцияларды сынауды стандартты тсілдері мен дістерін жне конструкцияларды тензометриялау тсілін олданумен жргізілді.

Алдын-ала кернеуленген абышаны кернеулену-деформациялану кйін баалауа арналан тедеулер жа абыралы цилиндірлік абышалар мен серпімділік теорияларыны фундаменталды негіздеріне сйене алынады.

Жмысты нтижелері:

• алдын-ала кернеуленген цилиндрлік абышаларды алдын-ала кернеулеу параметрлері мен температураны біріккен серінен кернеулену-деформациялану кйін сипаттайтын аналитикалы тедеулер алынды;
• тжірибелік сынатар негізінде алдын-ала кернеулеуді р трлі параметрлері мен температуралы жктемелерде алдын-ала кернеуленген абышаларды кернеулену-деформациялану кйіні ерекшеліктері аныталды жне абыша абырасында шеберлі мен бойлы кернеулерді таралуы туралы деректер алынды;
• температуралы серлерді алдын-ала кернеуленген абышаларды за мерзімділігіне сері бааланып оны жмысты орын анытайтын тедеулер алынды;
• конструкцияны ктергіш абілетін толы пайдалану шартына сйене алдын-ала кернеулеуді конструкциялы параметрлері мен температураны біріккен серін ескере алдын-ала кернеуленген цилиндірлік абышаларды инженерлік есептеу мен тиімді жобалауды тсілі сынылды.

Негізгі конструкциялы, технологиялы жне техника экономикалы сипаттамалар. Алдын-ала кернеулеу абыша денесіне оны бойлы сіне перпендикуляр немесе белгілі брышта беріктігі жоары сымды ораумен орындалады.

Ораманы орау стационарлы жадайда немесе растыру алашаларында арнайы орау машиналары немесе ондырылары арылы жргізіледі. Орау сымы ретінде 7348-81 МЕСТ бойынша диаметрі 3...8 мм, зілуге арсыласуы 1800 МПа те кміртекті болаттан дайындалан арматуралы сым олданылады.

Алдын-ала кернеулеуді конструкциялы параметрлерін тадай отыра жне эксплуатациялы жаыдайды ескере абышаны ктергіш абілетін, кернеулену-деформациялану кйін реттеуге жне технологиясы жетілген конструкция алуа болады.

Жмыс нтижелерін ендіру дегейі. Жргізілген зерттеулерді нтижелері жалпы 3 305 600 тегелі экономикалы тиімділікпен «Юктехснаб», «Юсталькон» ЖШС-де жне «КазТрансГаз-Айма» ОФ А ендірілген.

Жмыс нтижелерін енгізу сыныстары немесе ылыми-зерттеу жмысты ендіру ортындылары. Алдын-ала кернеулеуді конструкциялы параметрлері мен температураны біріккен серін ескере алдын-ала кернеуленген абышаны кернеулену-деформациялану кйін анытайтын тедеулер бл конструкцияларды негізді жне шынайы есептеуді амтамасыз етеді жне алдын-ала кернеулеуді тиімділігін сіреді.

Зерттеуде алынан нтижелер алдын-ала кернеуленген абышаларды жмыс ерекшеліктері жніндегі ылыма белгілі деректерді кеейтеді.

Алдын-ала кернеуленген абышаларды беріктігін жне замерзімділігін есептеуді инженерлік тсілі алдын-ала кернеуленген бырларды, резервуарларды, газгольдерлерді, ыдыстар мен аппараттарды жобалауда з олданысын табады жне жоары оу орындарында біратар мамандандыру пндерін оытуда з олданысын табады.

олдану саласы. Жмысты теориялы жне тжірибелік нтижелері лкен ысымда жмыс істейтін бырларда, резервуарларда, газгольдерлерде, ыдыстар мен аппараттарда, силостарда оларды ктергіш абілетін эксплуатациялы жктемелерде сіруде нтижелі олданысын табады.

Жмысты маыздылыы мен экономикалы тиімділігі. Жмысты маыздылыы алдын-ала кернеулеуді конструкциялы параметрлері мен температураны біріккен серінде алдын-ала кернеуленген абышаны кернеулену-деформациялану кйін баалайтын аналитикалы тедеулерде жне алдын-ала кернеуленген абышаны беріктігі мен за мерзімділігін есептеуге сынылан тсілдері мен алгоритмдерінде.

Зерттеу объектісін дамытуды жобалы болжамы. ткізілген зерттеулер алдын-ала кернеуленген абышаларды асиеттеріні, жмыс ерекшеліктеріні жне эксплуатациялау жаыдайларыны р-трлігін крсетті.

сынылан алдын-ала кернеуленген абышаларды кернеулену-деформациялану кйін баалау жне беріктігі мен за мерзімділігін есептеу тсілдері лкен ысымда жне температуралы серлерде жмыс істейтін цилиндірлік абышаларды олданатын ылым мен техниканы салаларында з олданысын табуы ммкін.

Serikbayev Toremurat Tinisbekuly

“Deflected mode of previously intensive cylindrical shell with allowance for thermal effect”

01. 02. 04.-Mechanics of deformed solid substances for the researching degree candidate of technique

Summary

Object of the research work is previously intensive cylindrical shells working under the intrinsic pressure.

The aim of the work is experimental and theoretical impact estimation of thermal effect to the stressed and strained state of previously intensive cylindrical shell that operate under the intrinsic pressure and development on the basis of an engineering analysis of construction.

Method and methodology of realization

Modeling of the geometrical sizes and thermo chemical state of constructions is a mode on the basis of direct and affine accordance between model and full-scale structure that is founded on>

Experimental researches of cylindrical shells fragments are carried on the basis of technique and methods of structural test and its units, also usage of construction strain-gaging method.

Equations for the estimation of deflected mode of preliminary intensive of cylindrical shell are received on fundamental basis of the theory of thin cylindrical shell and elasticity theory.

Results of work

• dependences of the intense condition of preliminary strained shells from parameters of a preliminary voltage are received;
• on the basis of test results the shell fragments of experimental data is about distribution of cyclic and axial voltage in a shell wall are received at various parameters of preliminary voltage and thermal effect;
• influence of thermal stress to the durability of previous stress shell is received and estimating relationship its resource taking into account thermal impact.
• developed engineering methods of durability estimation of previously strained shell based on thermal impact.

Basic constructive, technological and technical operating characteristics

Preliminary voltage is carried by winding-on the case of shell perpendicularly or under the angle to the longitudinal axis high-strength wire.

Winding-on is carried in stationary terms or erecting stage with special coil-processing machines and devices. As a winding-on might be used reinforcing wire from carbon steel according to the National Standard 7348-81 with diameter 3…8 mm and with resistance to disconnection until 1800 MP.

By changing preliminary voltage might be increased the carrying of shell and regulate intense state of a shell and receive high-strength construction.

Degree of introduction

The results of research work are realized on “Ustalkon” Co Ltd, “Ugtechsnab” Co Ltd and JSC “KazTransGas-Aimak” with economic effect in 3305 600 tenge.

Recommendation for introduction of work results

Received dependence of strain and stress state of previously intensive shell from constructive parameters and thermal impact allows the usage adequately and produce estimation of similar constructions and increase an efficiency of preliminary voltage.

Received results significantly add well-known scientific data about the work features of preliminary intensive shell.

Engineering estimation method of durability of previously intensive shell might be used by engineering-technical workers of design, constructive and scientific-research organizations at designing pipelines, vessels, gasholders and devices of high pressure and also at universities in teaching process of special course of disciplines.

The area of application

Theoretical and experimental results of work might be used successfully applied at designing previously intensive vessels and devices of high pressure, reservoirs, gasholders, pipelines and bins for increasing their carrying ability in the course of exploitation.

Economic efficiency and significance of work is in the received analytical expressions according to the estimation strain and stressed state of preliminary intensive shells taking into account impact of constructive parameters and thermal impact.

In suggested engineering methods and durability algorithm calculations and resistibility of preliminary intensive shells taking into account influence of previously intensive parameters and thermal impact.

Prognostic recommendations of development of research object

Conducted results have showed various properties, features of work and exploitation of previously intensive shells. Suggested methods of strain and stress state calculation of preliminary intensive shells and methods might be used in various spheres of science and technique, where it is possible to apply of cylindrical shells working under the high internal pressure and thermal loading.

Подписано в печать 09.01.10г.

Формат 60-84 1/16. Бумага ксероксная.

Заказ № 1619. Объем 1.4 п.л. Тираж 100 экз.

Издательский центр Южно-Казахстанского государственного

университета им. М.Ауезова. г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5