Осесимметричное термоупругопластическое напряженно-деформированное состояние разветвленных оболочек тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Галишин, Александр Закирьянович

• Галишин, Александр Закирьянович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Галишин, Александр Закирьянович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I . ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ОСЕСЙММЕТРИЧНОГО ТЕРМОУПРУ-ГОПМСТИЧЕСКОГО НА1РЯ}КЕШО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТОНКИХ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ОБОЛОЧЕК.

1.1. Геометрические и статические уравнения теории тонких оболочек

1.2. Соотношения теории простых процессов нагружения с учетом истории их протекания.

1.3. Уравнение теплопроводности в теории тонких оболочек

1.4. Постановка задач теплопроводности и термопластичности для разветвленных оболочек

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В РАЗВЕТВЛЕННЫХ ОБОЛОЧКАХ ПРИ ОСЕСИММЕТРИЧНОМ НАГРЕВЕ.

2.1. Решение задачи теплопроводности разветвленных оболочек с применением явной разностной схемы по времени

2.2. Алгоритм решения задачи теплопроводности разветвленных оболочек с применением явной разностной схемы по времени

2.3. Решение задачи теплопроводности разветвленных оболочек с применением неявной разностной схемы по времени

2.4. Алгоритм решения задачи теплопроводности разветвленных оболочек на основе неявной разностной схемы по времени

2.5. Исследование оеесимметричных температурных полей в оболочках с разветвленным меридианом.

ГЛАВА. 3 .ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ТЕРМОУПРУГОПЛАСТИ-ЧЕСКОГО НАПРЯЖЕННО-ДШРМЙРОВАШОГО СОСТОЯНИЯ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

3.1. Разрешающие уравнения.

3.2. Алгоритм определения осесимметричного упругоплас-тического напряженно-деформированного состояния разветвленных оболочек при неизотермических процессах нагружения.

3.3. Оценка эффективности и точности определения напряженно-деформированного состояния разветвленных оболочек

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОУПРУГОПЛАСТЙЧЕСКОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕ10РМИР0ВАНН0Ш СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ В ВИДЕ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ОБОЛОЧЕК.

4.1. Термоупругопластическое налряженно-деформирован-ное состояние цилиндрической оболочки, подкрепленной кольцевыми пластинами

4.2. Термоупругопластическое напряженно-деформированное состояние сосуда давления

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Осесимметричное термоупругопластическое напряженно-деформированное состояние разветвленных оболочек»

В технике находят широкое применение тонкостенные конструкции, представляющие собой оболочки вращения с разветвленным меридианом. В процессе эксплуатации они могут подвергаться неравномерному нагреву и действию силовых нагрузок, изменяющихся во времени. К таким конструкциям следует отнести элементы паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и двигателей внутреннего сгорания, ядерных реакторов, элементы ракетной и криогенной техники, судо- и авиастроения и многих других.Растущие требования к уменьшению веса разветвленных оболочек часто приводят к необходимости рассматривать их деформирование за пределами упругой работы материала. При этом необходимо учитывать реальные эксплуатационные режимы работы разветвленных оболочек и реальные свойства материалов, из которых они изготовлены.

Особенностью неизотермических процессов нагружения является то обстоятельство, что физико-механические характеристики материала / модуль упругости, предел текучести, параметры упрочнения и другие/ могут существенно зависеть от температуры. Кроме того, возникающие при интенсивном теплообмене с окружающей средой большие градиенты температуры могут вывести отдельные части оболочки в пластические области. По мере прогрева оболочки градиенты температуры уменьшаются и, следовательно, уменьшаются напряжения, что может привести к возникновению областей разгрузки. Наряду с мгновенными упругопласти-ческими деформациями в оболочке могут развиваться деформации ползучести. Для оценки прочности разветвленных оболочек, работающих в условиях неизотермического нагружения, необходимо определять их налряжешо-деформированное состояние с учетом отмеченных выше особенностей. Поэтому задача определения термо-упругопластического напряженно-деформированного состояния разветвленных оболочек с учетом истории протекания процессов наг-ружения является важной и актуальной задачей механики деформируемого твердого тела.

При исследовании напряженно-деформированного состояния-разветвленных оболочек особое внимание следует обращать на выбор уравнений состояния и правомочность применения этих уравнений к тем или иным процессам нагружения. Соотношения пластичности, описывающие процессы неизотермического нагружения, приводятся в работах р7,27,28,37,47,49,56-6о] , а в работах [27, 28,37,47,56-6о] даны также пределы применимости физических соотношений.

Исследованием напряженно-деформированного состояния разветвленных оболочек занимались многие авторы. В литературе имеется также ряд работ, посвященных вопросам динамики и устойчивости этих оболочек. Однако, эти вопросы выходят за рамки настоящего обзора. Поэтому остановимся лишь на исследованиях, имеющих непосредственное отношение к теме предлагаемой работы, а именно на исследованиях, посвященных определению на-пряженно-дсформированного состояния разветвленных оболочек в квазистатических упругой и упругопластической постановках.

Среди разветвленных оболочечных конструкций обычно выделяют две основные группы: I/ оболочки, разветвленные меридианы которых не образуют замкнутых контуров; 2/ разветвленные оболочки с замкнутыми контурами меридиана - так называемые многосвязные оболочки. Точки ветвления меридиана принято называть узлами, а элементарные оболочечные связи, соединяющие узлы, - ветвями. В общем случае расчет напряженно-деформированного состояния многосвязных оболочечных конструкций осуществляется, методами строительной механики - методом сил либо методом перемещений. Например, в методе перемещений в качестве основных неизвестных принимаются перемещения узлов. Многосвязная конструкция условно расчленяется на отдельные ветви, для кавдой из которых определяется матрица жесткости, т.е. находятся усилия, вызываемые единичными смещениями контуров. Неизвестные перемещения узлов определяются из решения системы алгебраических уравнений, выражающей условие статического равновесия узлов. Целесообразность выделения разветвленных оболочек первой группы заключается в возможности их расчета без построения специальной разрешающей системы уравнений. В упругой постановке напряженно-деформированное состояние разветвленных оболочек с незамкнутыми контурами меридиана рассматривалось в работах ^2, 19,21,25,35,38,40,50,62] . Причем в работах [35,38] получены аналитические решения, а в остальных работах из числа перечисленных решения основаны на численном интегрировании систем обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих напряженно-деформированное состояние каждой ветви.

Работы |~40,1^ посвящены разработке численной методики расчета тонких разветвленных оболочек, находящихся под действием осесимметричных силовых нагрузок и температурного поля, изменяющегося по толщине оболочек по линейному закону. Интегрирование системы линейных дифференциальных уравнений для каждой ветви осуществляется методом сведения к задачам Коши. Во избежание неустойчивости счета, возникающей при численном решении задач Коши, авторы ограничились рассмотрением разветвленных оболочек, у которых осевое смещение может быть задано лишь на одном граничном контуре, т.е. оболочек внешне статически определимых в отношении осевых сил. Указанное ограничение позволило уменьшить количество задач Коши, соответствующих решению однородных систем дифференциальных уравнений. В качестве примера приведен расчет передней стенки корпуса паровой турбины, нагруженной внутренним давлением и осевыми силами.

В работе [^Зб] приводится аналитическое решение задачи о деформировании цилиндрической оболочки, подкрепленной кольцевой пластиной и находящейся под действием внутреннего давления. При решении задачи разветвленная конструкция условно расчленяется на цилиндрическую часть и кольцевую пластину, а действие одной части конструкции на другую заменяется сосредоточенным кольцевым усилием, которое определяется из условия равенства радиальных перемещений цилиндра и пластины в узле сопряжения. Для определения напряженно-деформированного состояния в цилиндре используется известное решение С.П.Тимошенко [бб] о деформировании цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением и поперечной кольцевой силой, а напряженно-деформированное состояние кольцевой пластины определяется формулами Ляме в случае плоского напряженного состояния.

В работе |б2] для расчета термоупругого поведения разветвленных оболочек при неосесимметричном нагружении применяется метод поля теории графов в сочетании с методом разложения нагрузки и искомых величин в ряды Фурье по окружной координате. Разветвленная оболочка представляется в виде графа дерева с незамкнутыми ветвями. Исходя из линейности системы дифференциальных уравнений, описывающей напряженно-деформированное состояние каждой ветви дерева, представлен способ получения матричных зависимостей между "полями" усилий и перемещений на краях отдельной ветви. Рассмотрен пример расчета разветвленной конструкции, составленной из конических оболочек, нагруженных поверхностными и сосредоточенными силами.

Отметим, что представление решения рядами Фурье по окружной координате применяется во всех представленных ниже работах, посвященных расчету разветвленных оболочек при неосесимметрич-ном нагружении.

Работа [зб] посвящена разработке методики расчета осесим-метричного напряженно-деформированного состояния тонких разветвленных оболочек, основанной на численном интегрировании систем дифференциальных уравнений методом непрерывной ортогонали-зации А.А.Абрамова Результаты расчета по разработанной методике сравниваются с аналитическим решением задачи, рассмотренной в работе [зб].

В работе |^5о| излагается методика расчета разветвленной конструкции, составленной из соединенных через одно круговое кольцо двух и более тонких оболочек вращения при неосесиммет-ричном нагружении. Получено матричное разрешающее уравнение относительно перемещений кольца, которые используются в качестве граничных условий на узловых краях оболочек.

В работе [Ъз^ получены аналитические зависимости для определения псесимметричных нестационарных температурных полей и напряжений в зоне соединения цилиндрического патрубка со сферическим днищем резервуара, предназначенного для хранения жидких криопродуктов. Предполагается, что температурное поле может изменяется только вдоль образующих сопрягаемых оболочек. Решение задачи теплопроводности и термоупругости ищется методом конечного интегрального преобразования. В результате расчетов установлено, что выбором режима охлаждения можно снизить температурные напряжения до допустимого уровня.

Исследованию налряженно-деформированного состояния разветвленных тонкостенных конструкций типа роторов турбомашин посвящена работа [^2^ . Используемая в ней методика и программа работы усовершенствована путем введения в расчет массовых сил. Для определения граничных условий на неузловых торцах ветвей при их взаимодействии с другими деталями применяются уравнения метода сил. Результаты расчета сравниваются с экспериментом.

Работа посвящена разработке методики расчета разветвленных оболочечных систем из композитных материалов, а также слоистых ортотропных оболочек при неосесимметричном силовом и тепловом нагружении. Для решения систем дифференциальных уравнений применяется устойчивый численный метод дискретной ортого-нализации С.К.Годунова . В качестве примера разветвленной оболочки приведен расчет стеклопластикового сосуда с днищами.

Для исследования напряженно-деформированного состояния многосвязных оболочечных конструкций широко применяются методы, основанные на численном интегрировании систем дифференциальных уравнений и на использовании процедуры метода конечных элементов. Упругому расчету многосвязных оболочек, для которых задача сводится к решению систем дифференциальных уравнений, посвящены работы [12,23,24,29,30,39,41^ .

В работе ^4^ излагается методика расчета многосвязных тонкостенных конструкций при осесимметричном силовом и температурном нагружении. Решение краевой задачи осуществляется методом перемещений в сочетании с методом сведения к задачам Коши. Записанные на основе этих методов разрешающие уравнения получены однообразно, исходя из линейной зависимости между усилиями и перемещения на концах отдельной ветви. В приведенном примере рассматривается напряженно-деформированное состояние разветвленной оболочки с незамкнутыми контурами меридиана и результаты расчета по предложенной методике сравниваются с результатами, полученными по методике работы |~4сГ] •

В работе [^2з] предлагается метод расчета многосвязных оболочек при неосесимметричном нагружении. Каждая ветвь описывается соотношениями линейной теории оболочек В.З.Власова, для которой решение относительно функций перемещений точек срединной поверхности ищется в аналитическом виде при помощи функций Лежандра. Для расчета многосвязной конструкции в целом применяется матричный метод перемещений. Несмотря на то, что данная методика позволяет расчитывать многосвязные оболочки, в приведенном примере рассмотрено напряженно-деформированное состояние. разветвленной оболочки с незамкнутым контуром меридиана, представляющей собой сферический резервуар с разделительной сферической перегородкой.

Вопросы построения алгоритма численного анализа геометрически нелинейного деформирования многосвязных оболочек при осесимметричном изотермическом нагружении рассматриваются в работе £24] . В качестве геометрических уравнений используются нелинейные соотношения теории тонких оболочек В.В.Новожилова. Линеаризация нелинейной системы дифференциальных уравнений осуществляется методом Ныотона-Рафсона. В каждом приближении линеаризированная система дифференциальных уравнений решается методом дискретной ортогонализации С.К.Годунова. Для расчета многосвязных конструкций применяется процедура метода перемещений. В качестве примеров рассмотрены задачи нелинейного деформирования торокольцевых баков, один из которых имеет перемычку в виде конической оболочки.

В работе £39]приводится,решение задачи о напряженно-деформированном состоянии многосвязных оболочек, подкрепленных одинаковыми меридиональными ребрами стержневого типа. Предполагается, что ребра поставлены часто и с равномерным шагом по окружной координате, что позволяет рассматривать задачу как осесим-метричную для ортотропного материала. Решение краевой задачи для многосвязной оболочки осуществляется методом перемещений и методом сведения к задачам Коши. В приведенном- примере рас-читано напряженно-деформированное состояние оребренной многосвязной оболочки, представляющей собой расчетную схецу несущей конструкции гидротурбины.

Работа JW] посвящена разработке алгоритма и методики расчета симметрично нагруженных многосвязных конструкций при неравномерном нагреве вдоль образующей и постоянном нагреве по толщине. Поведение оболочечного элемента описывается соотношениями геометрически линейной теории тонких оболочек В.В.Новожилова. Решение краевой задачи для многосвязной оболочки основано на методе перемещений. Для численного интегрирования систем дифференциальных уравнений применяется метод прогонки с промежуточным ортонормированием решений по С.К.Годунову. В качестве примера приведен расчет разветвленной оболочки с незамкнутым контуром меридиана, находящейся под действием внутреннего гидростатического давления.

В работах |^12,30^ рассматривается осесимметричное термоупругое напряженно-деформированное состояние многосвязных конструкций, составленных из оболочек средней толщины. В качестве геометрических соотношений используется вариант геометрически линейной теории С.П.Тимошенко, учитывающей деформации поперечного сдвига. Задача решается методом перемещений в сочетании с методом сведения, краевых задач к задачам Коши. В работе методика расчета апробируется на решении задач для неразветвлен-ных оболочек, а в работе ^30^ приводится расчет немногосвязной разветвленной оболочки, представляющей собой корпус нагнетателя природного газа.

В работах [^9,26,32,36,63^ для численного исследования упругого напряженно-деформированного состояния разветвленных обо-лочечных конструкций применяются различные модификации метода конечных элементов / МКЭ /, основанные на использовании специальных конечных элементов оболочечного типа. Причем работа основана на использовании сдвиговой модели С.П.Тимошенко, а в остальных работах применяются геометрически линейные соотношения тонких оболочек, основанные на гипотезах Кирхгофа-Лява. В работах |э,26,6з] расчетная схема конструкции представляется совокупностью конечных элементов в виде усеченных конических оболочек, а в работах [32,36^ применяются оболочечные конечные элементы с криволинейным меридианом. Остановимся более подробно на каждой из перечисленных работ.

Вопросы применения матричного метода перемещений к расчету многосвязных оболочек вращения при неосесимметричном на-гружении рассматриваются в работе [~63^ . Вдоль меридиана каждого элемента принят линейный закон изменения меридиональных и окружных перемещений точек срединной поверхности и кубический закон - для перемещения в направлении нормали к этой поверхности. Разрешающие уравнения матричного метода перемещений получены исходя из линейной зависимости между векторами обобщенных узловых усилий и перемещений на краях отдельного конечного элемента. Входящая в эту зависимость матрица жесткости элемента находится из условия минимума выражения для полной энергии деформации. Предложенный метод расчета апробируется на ряде простейших примеров неразветвленных оболочек.

Работа ^26^ посвящена исследованию вопросов применимости различных моделей МКЭ для расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенных пространственных конструкций. Для сравнения использовались простейшие конечные элементы с различным выбором аппроксимирующих функций. Проведенное исследование показало, что для расчета осесимметричных составных конструкций наиболее эффективными из числа рассмотренных оказались совместная конечноэлементная модель с кубическим законом распределения вдоль образующей элемента для нормальных и линейным - для меридиональных компонент перемещений, а также смешанная модель с линейным распределением вдоль меридиана компонент перемещений и меридионального изгибающего момента. В приведенном примере расчитано осесимметричное напряженное состояние многосвязной оболочки, представляющей собой камеру сгорания реактивного двигателя. Нагружение конструкции моделировалось системой поверхностных нагрузок, а также постоянным по толщине и переменным вдоль меридиана температурным полем.

В работе [32^ излагается методика определения осесимметричного термонапряженного состояния многосвязных конструкций, состоящих из слоистых ортотропных оболочек. В качестве основных неизвестных выбрана осевая и радиальная составляющие перемещений точек срединной поверхности и угол поворота нормали к этой поверхности. Для аппроксимации образующей конечного элемента, а также осевой и радиальной компонент перемещений внутри элемента применяется система ортогональных полиномов третьей степени. Для иллюстрации предложенной методики приведен расчет неразветвленной оболочки, представляющей собой линзовый компенсатор осевых смещений.

Работа [9] посвящена численному анализу составных оболочеч-ных конструкций при осесимметричном нагружении. Благодаря применению сдвиговой модели С.П.Тимошенко, описывающей напряженно-деформированное состояние каждого конечного элемента и свободной от допущений о жестком повороте нормальных к срединной поверхности сечений, в работе удалось построить весьма простые координатные функции, обладающие вместе с тем необходимой степенью непрерывности. Апроксимация функций перемещений и углов поворота вдоль образующей элемента осуществляется по линейному закону. В качестве примера разветвленной конструкции исследовано напряженно-деформированное состояние резервуара водонапорной башни, покоящегося на двух концентрических опорах.

В работе [Зб] исследуется неосесимметричное напряженно-деформированное состояние в горизонтально расположенном цилиндрическом резервуаре в процессе заполнения жидким азотом. Резервуар оснащен внутренними подкрепляющими элементами оболо-чечного типа. При расчете конструкции используются высокоточные конечные элементы, апроксимация геометрических параметров которых, а также поля перемещений внутри элементов осуществляется при помощи полиномов Лежандра. В качестве основных неизвестных используются перемещения точек срединной поверхности и угол поворота касательной к меридиану, а также перше и вторые производные компонент перемещений по меридиональной координате. В результате расчетов установлено, что величина температурных напряжений, которые могут намного превышать напряжения, обусловленные весом жидкости и внутренним давлением, существенно зависит от скорости наполнения резервуара.

Исследованию упругопластического напряженно-деформированного состояния разветвленных оболочечдах конструкций посвящены работы [3,5,33,34,43-45,52,54] .

В работе [з] изложена методика расчета осесимметричного напряженно-деформированного состояния составных конструкций при силовом и температурном нагружении. Задача решается в геометрически линейной постановке с применением МКЭ в форме метода под-конструкций. Каждая подконструкция может состоять из конечных элементов сплошной среды либо из элементов оболочечного типа, основанных на гипотезах Кирхгофа-Лява. По элементам принят полиномиальный закон распределения перемещений. Для описания упругопластического поведения материала применяется вариант соотношений теории течения с кинематическим и изотропным упрочнением, записанных в приращениях. Линеаризация физических уравнений осуществляется методом пошагового нагружения. В качестве примера приведен расчет равномерно нагретого сосуда давления, оснащенного рубашкой подогревателя, в процессе активного нагружения внутренним давлением.

Следует отметить, что соотношения теории течения с кинематичеоким и изотропным упрочнением, когда скалярные функции, входящие в эти соотношения, определяются из опытов на одноосное растяжение, описывают только простые процессы нагружения. Обоснование этого замечания приводится в монографиях [^59,60^ и оно относится ко всем приведенным здесь работам, в которых используются указанные физические уравнения. В связи с этим для исследования простых процессов нагружения целесообразнее применять более простые по сравнению с используемым в этой работе вариантом теории течения определяющие уравнения.

Работа [зз^посвящена разработке методики расчета составных конструкций вращения при силовом и температурном квазистатическом нагружении. Как и в работе [з J для расчета используется МКЭ в форме метода подконструкций. Задача решается в геометрически нелинейной постановке с применением уравнений термо-вязкопластичности с кинематическим и изотропным упрочнением, позволяющими исследовать процессы нагружения с учетом истории их протекания. Для линеаризации физических и геометрических соотношений используется комбинированная итерационная процедура, представляющая сочетание методов самокоррекции, Ньютона и дополнительных деформаций. Приводится упругопластический расчет разветвленной конструкции, рассмотренной в работе [з^ , в процессе равномерного нагрева и увеличения внутреннего давления с последующим снятием давления и равномерным охлаждением до первоначальной температуры. Причем результаты расчета приводятся лишь для максимального значения нагрузки, и влияние истории нагружения на напряженно-деформированное состояние разветвленной оболочки не анализируется. Рассматривается также процесс активного нагружения внутренним давлением предварительно нагретой разветвленной оболочки, температурное поле которой постоянно по толщине и изменяется только вдоль ее меридиана.

В работах [45,54] излагается алгоритм определения напряженно-деформированного состояния многосвязных оболочечных конструкций из нелинейно-упругого материала при осесимметричном изотермическом нагружении. Используются уравнения геометрически нелинейной теории тонких оболочек В.В.Новожилова и теория малых упругопластических деформаций. Решение краевой задачи основано на матричном методе перемещений и на численном интегрировании методом ортогональной прогонки С.К.Годунова систем нелинейных дифференциальных уравнений, линеаризуемых по методу Ньютона-Канторовича. Показана ускоренная сходимость итерационного процесса по сравнению с методом упругих решений и методом переменных параметров упругости. Эффективность решения геометрически и физически нелинейной задач аппробируется на тестовых примерах [j45,54] и путем сравнения с данными эксперимента [54] для оболочек без разветвлений.

В книгах [43,44] опубликованы алгоритмы и программы для решения задач геометрически нелинейного деформирования много

43,44] и темсвязных оболочек при неосесимметричных силовых пературных [44] нагрузках, а также для расчета многосвязных оболочек, изготовленных из нелинейно-упругого материала,при осесимметричном изотермическом нагружении. Основные определяющие уравнения и методы решения выбраны такими же, как и в работах 45,54] . В качестве примеров приведены задачи определения напряженно-деформированного состояния разветвленных конструкций в геометрически нелинейной постановке.

Применение МКЭ к решению задач термовязкопластичности мно-гоевязных конструкций при неосесимметричном нагружении приводится в работе [34] . Дискретизация области осуществляется специальными оболочечными элементами, для которых справедливы гипотезы Кирхгофа-Лява. Для аппроксимации перемещений вдоль образующей элемента применяется линейный закон для меридионального и окружного перемещений точек срединной поверхности и кубический закон - для прогиба. В качестве уравнений состояния используются соотношения теории течения с комбинированным упрочнением. Задача решается в квазистатической постановке с использованием метода дополнительных деформаций. В приведенном примере рассматривается упругое напряженно- деформированное состояние разветвленной оболочки, представляющей собой бак водонапорной башни, находящийся под действием гидростатического давления и ветровой нагрузки.

В работе ^52^излагается метод расчета многосвязных конструкций, состоящих из оболочек вращения средней толщины. В качестве геометрических уравнений используются соотношения линейной теории С.П. Тимошенко. Физическая нелинейность материала описывается теорией течения с изотропным упрочнением, которая позволяет изучать поведение конструкции при изотермическом деформировании по траекториям малой кривизны с учетом истории протекания процессов нагружения. Для линеаризации уравнений состояния используется шаговый процесс по нагрузке. Решение краевой задачи для разветвленной оболочки осуществляется вариационно-сегментным методом [31] . Решение вариационного уравнения, описывающего напряженно-деформированное состояние каждого сегмента, производится методом Ритца. Для объединения сегментов в конструкцию используется метод сил. В качестве примера приводится упругопластическое решение задачи, рассмотренной в работах [19,40] .

Работа [б] посвящена разработке методики расчета осесим-метричного термоупругопластического напряженного состояния разветвленных оболочек методом: суперэлементов. Суперэлементы представляют собой элементарные оболочки вращения, описываемые геометрически линейной теорией тонких оболочек. В качестве основных неизвестных приняты меридиональная составляющая перемещения точек срединной поверхности и ее первая производная, а также перемещение в направлении нормали к срединной поверхности и его первая и вторая производные. Аппроксимирующие полиномы для меридионального и нормального перемещений имеют соответственно третью и пятую степени. В качестве физических уравнений используются соотношения теории малых упрутопластических деформаций и теории течения с изотропным упрочнением, линеаризируемые методом шагового нагружения. В приведенном примере исследуется напряженно-деформированное состояние разветвленной оболочки при простом изотермическом нагружении с использованием обоих типов определяющих уравнений. Но поскольку простые процессы нагружения полностью описываются теорией малых упрутопластических деформаций, то применение в рассматриваемой задаче таких сложных соотношений, как теории течения с изотропным упрочнением, вряд ли может быть целесообразным.

Из приведенного обзора следует, что в настоящее время существует большое количество работ, посвященных упругому расчету разветвленных оболочек, и значительно меньше работ посвящено их расчету в упругопластической постановке. При решении задачи термопластичности рассматриваются активные процессы нагру-жения разветвленных оболочек, находящихся в заданном температурном поле, зависящем только от меридиональной координаты, а также задачи с учетом истории протекания процессов нагружения разветвленных оболочек при их равномерном нагреве.

В отличие от приведенных в обзоре работ настоящая диссертационная работа посвящена разработке методики определения осе-симметричного термоупругопластического напряженно-деформированного состояния разветвленных оболочек, находящихся в условиях конвективного теплообмена с окружающей средой и подверженных действию изменяющихся во времени силовых нагрузок. Методика основана на применении соотношений теории простых процессов-нагружения с учетом истории их протекания и на численном интегрировании систем дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта с дискретной ортогонализацией и нормализацией С.К.Годунова. Исследование производится в квазистатической постановке. Для определения осесимметричных температурных полей в разветвленных оболочках решается нестационарная задача теплопроводности.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Галишин, Александр Закирьянович

Основные результаты настоящей диссертационной работы сводятся к следующему:

1.Разработана методика определения осесимметричного тер-моупругопластического напряженно-деформированного состояния разветвленных оболочек, находящихся в условиях конвективного теплообмена с окружающей средой и подверженных действию изменяющихся во времени поверхностных и краевых нагрузок.

2. Методика основана на применении геометрически линейных соотношений тонких оболочек и соотношений теории простых процессов нагружения с учетом истории их протекания. Задача решается в квазистатической постановке с применением метода переменных параметров упругости. Решение задачи термопластичности на произвольном этапе нагружения сводится к интегрированию линеаризированной системы дифференциальных уравнений, которое осуществляется методом Рунге-Кутта с дискретной ортогонализаци-ей С.К.Годунова. Для определения нестационарных температурных полей применяется явная и неявная схема решения задачи теплопроводности. В узлах сопряжения оболочек используются условия статического равновесия узлов, условия неразрывности перемещений, условия равенства температуры и тепловых потоков. Проверка адекватности уравнений состояния рассматриваемым процессам нагружения осуществляется путем исследования геометрии построенных траекторий деформирования.

3. Разработанная методика и программа для ЭВМ апробированы на тестовых примерах и решены две ноше задачи. В первой задаче рассматривается длинная цилиндрическая оболочка, подкрепленная набором периодически расположенных кольцевых пластин, в процессе неравномерного нагрева и нагружения внутренним давлением и осевой растягивающей силой. В результате решения задачи установлено, что учет истории нагружения в несколько раз изменяет напряженно-деформированное состояние в оболочке. Наличие подкрепляющих пластин существенно влияет на распределение напряжений и деформаций в цилиндре. Во второй задаче исследуется напряженно-деформированное состояние сосуда давления, сопряженного с конической опорой, в процессе его нагрева и нагружения внутренним давлением и последующим охлаждением и снятием давления. Из анализа полученных результатов следует, что возникающие после снятия приложенных нагрузок остаточные напряжения соизмеримы по величине с максимальными напряжениями при активном нагружении.

4. Разработанная методика может быть использована при оценке прочности оболочечных конструкций с разветвленным меридианом, работающих в условиях неравномерного нагрева при изменяющихся во времени нагрузках. От внедрения методики на ПОТ "Харьковский турбинный завод" им.С.М.Кирова получен экономический эффект 106,9 тыс.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Галишин, Александр Закирьянович, 1984 год

1. Абрамов A.A. О переносе граничных условий для систем обыкновенных дифференциальных уравнений /вариант метода прогонки/ .- Журнал вычислительной математики и математической физики, 196I, №3, с.542-543.

2. Авербух В.Е. Расчет напряженно-деформированного состояния тонких дисков тербомашин.- Прочность элементов роторов тур-бомашин: Труды II Респ.науч.-технич.семинара /Киев,Наук.думка, 1980, с.70-76.

3. Адясова Н.М. »Капустин С.А. Исследование упруго-пластических составных конструкций МКЭ.- Прикладные проблемы прочности и пластичности. Всесоюз.межвуз.сб./Горьк.ун-т, 1975,вып.2, с.119-127.

4. Бандурин Н.Г., Николаев А.П. К расчету осесимметричных обо-лочечных конструкций с учетом пластических свойств материала. В кн.: Расчеты на прочность, М.: Машиностроение,1983, вып.24, с.229-236.

5. Безухов Н.И. и др. Расчеты на прочность, устойчивость и колебания в условиях высоких температур. М.: Машиностроение, 1965. - 568 с.

6. Биргер И.А. Теория пластического течения при неизотермическом нагружении. Изв.АН СССР, Механика и машиностроение, 1964, Ш, с.193-194.

7. Богословская Н.М., Зуев Б.И., Капустин С.А. Применение простейших сдвиговых моделей МКЭ для расчета осесимметрич-ных оболочек. -Прикладные проблемы прочности и пластичности. Статика и динамика деформируемых систем/ Горьк.ун-т, 1980, с.95-99.

8. Болотин В.В. Уравнения нестационарных температурных полей в тонких оболочках при наличии источников тепла. ПММ, 1960, т.24, вып.2, с.351-363.

9. Борисюк А.й., Мотовиловец И.А. О температурном поле оболочки переменной толщины. Прикл.механика, 1967, 3 , вып.12, с.84-89.

10. Бородай Ю.П. К решению задач статики систем из оболочек вращения средней толщины. Пробл. машиностроения, 1979, Р9, с.56-62.

11. Галишин А.З. Исследование осесимметричного термоупруго-пластического напряженно-деформированного состояния разветвленных оболочек при простых процессах нагружения. -Прикл. механика, 1984. 20 , №8, с.46-50.

12. Галишин А.З. Исследование термопластического деформирования разветвленных оболочечных конструкций на основе теории простых процессов нагружения с учетом истории их протекания. В сб.: Актуальные проблемы механики оболочек.

13. Тезисы докладов Всесоюзной школы молодых ученых и специалистов. Казань, 1983, с.37.

14. Галишин А.З. Расчет осесимметричного термоупруго-пластического напряженно-деформированного состояния оболочек вращения с разветвленным меридианом. Прикл.механика, 1984,20 , И, с.66-71.

15. Годунов С.К. 0 численном решении краевых задач для системлинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Успехи мат. наук, 1961. 16 , вып.З, с.171-174.

16. Гонтаровский П.П., Миткевич В.М. Расчет оболочек вращения с разветвленным меридианом на осесимметричную нагрузку. -В сб.: Динамика и прочность машин, 1972, вып.16, с.60-67.

17. Григоренко Я.М., Василенко А.Т. Теория оболочек переменной жесткости. Киев: Наук.думка, 1981. - 544 с. /Методы расчета оболочек; Т.4/.

18. Григоренко Я.М., Гололобов В.Й., Криворучко Л.Д. и др. Расчет напряженного состояния конструкций в виде оболочек вращения с разветвлениями. Прикл.механика, 1984. 20 , №7,с.101-104.

19. Григоренко Я.М., Китайгородский A.B., Семенова В.В. и др. Расчет ортотропных слоистых оболочек вращения с переменными параметрами на ЕС ЭВМ. Киев: Наук.думка, 1980. -104 с.

20. Григорьев И.В., Твердый Ю.В. Метод расчета многосвязных оболочечных сооружений. Строительная механика и расчет сооружений, 1974, №3, с.8-И.

21. Григорьев И.В., Фролов А.Н. Нелинейная осесимметричная деформация многосвязных оболочечных конструкций. В кн.: Избранные проблемы прикладной механики, М., ВИНИТИ, 1974, с.283-293.

22. Егоров М.И., Корягин B.C., Федоров В.И., Коротихин В.П. Расчет осесимметричного напряженного состояния разветвленных составных оболочек вращения. Пробл. прочности, 1974, №5, с.26-30.

23. Зуев Б.И.»Капустин С.А., Киселев Л.К. и др. Сравнение некоторых моделей конечных элементов при анализе тонкостенных пространственных конструкций. В кн.: Метод конечных элементов в строительной механике. Горький, 1975, с.149 -163.

24. Ильюшин A.A. Пластичность. М.: Гостехиздат, 1948. -326 с.

25. Ильюшин A.A. Пластичность. Основы общей математической теории. М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 272 с.

26. Кандаков Г.П., Маликин В.Г., Мяченков В.И. Симметричная деформация тонкостенных оболочечных конструкций.- Прикладные проблемы прочности и пластичности. Алгоритмизация и автоматизация решения задач упругости и пластичности

27. Горьк.ун-т, 1978, с.94-100.

28. Кантор Б.Я., Бородай Ю.П. К расчету конструкций, составленных из оболочек вращения средней толщины. Институт пробл. машиностроения АН УССР, Препринт -120, Харьков, 1979. - 29 с.

29. Кантор Б.Я., Катаржнов С.И. Вариационно-сегментный метод в нелинейной теории оболочек. Киев: Наук.думка, 1982.- 136 с.

30. Кантор Б.Я., Миткевич В.М., Шишкина Э.С. К расчету тонкостенных конструкций вращения методом конечных элементов.- Ин-т пробл. машиностроения АН УССР, Препринт 25, Харьков, 1976. - 59 с.

31. Капустин С.А. Численный анализ нелинейных квазистатических процессов деформирования составных конструкций. Прикладные проблемы прочности и пластичности. Статика и динамикадеформируемых систем / Горьк.ун-т, 1979, с.68-80.

32. Корягин B.C. Прочность труб с наружным поперечным оребре-нием.- Теплоэнергетика, 1973, И, с 19-21.

33. Куранов Б.А., Кончаков Н.И. Температурные напряжения в резервуаре для хранения сжиженного газа. В кн.: Расчеты на прочность, М., Машиностроение, 1980, вып.21, с.216-224.

34. Ленский B.C., Ломакин В.А. Деформационная теория термопластичности. В кн.: Тепловые напряжения в элементах конструкций, 1970, вып.10, с.37-50.

35. Макаров А.М., Куранов Б.А., Серов С.Ф. Анализ нестационарных температурных полей и напряжений в зоне соединения патрубка с резервуаром. В кн.: Тепловые напряжения в элементах конструкций, 1980, вып.20, с.70-74.

36. Медведовская Т.Ф. Симметричная деформация конструкций из оболочек вращения, подкрепленных ребрами. Пробл. машиностроения. Респ. межвед. сб., 1976, вып.З, с.18-25.

37. Миткевич В.М. Расчет оболочек вращения с разветвленным меридианом на осесимметричную нагрузку. Филиал Ин-та механики АН УССР, Харьков, 1970. - 19 с. Рукопись деп. в ВИНИТИ, №1912-70 Деп.

38. Миткевич В.М., Шулика А.К. К численному решению задач статики тонкостенных конструкций. В сб.: Динамика и прочность машин, 1973, вып.18, с.104-111.

39. Мотовиловец И.А. Теплопроводность пластин и тел вращения. Киев: Наук.думка, 1969. - 144 с.

40. Мяченков В.И., Григорьев И.В. Расчет составных оболочеч-ных конструкций на ЭВМ: Справочник. М.: Машиностроение, 1981. - 216 с.

41. Мяченков В.И., Мальцев В.П. Методы и алгоритмы расчета пространственных конструкций на ЭВМ ЕС.-М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

42. Мяченков В.И., Юсов В.Н. Деформация оболочечных конструкций из нелинейно-упругого материала. Строительная механика и расчет сооружений, 1981, Р1, с.23-27.

43. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек.- Л.: Судостроение, 1962. 432 с.

44. Огибалов П.М. Теория пластических деформаций при высокихтемпературах тела. Вестник МГУ, серия ф.-м. и ест.наук, 1950, №12, с.15-21.

45. Подстригач Я.С. 0 применении операторного метода к выводу основных соотношений теории теплопроводности тонкостенных элементов и составных конструкций. В кн.: Тепловые напряжения в элементах конструкций, 1965, вып.5, с.24-35.

46. Прагер А. Неизотермическое пластическое деформирование.- Механика. Периодический сборник переводов, 1959, № 5, с.95-101.

47. Приварникова В.П. Матричный метод расчета сопряженных оболочек вращения. В сб.: Динамика и прочность тяжелых машин, 1979, №4, с.71-74.

48. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач. М.: Мир, 1972. - 418 с.

49. Савченков С.П. Осесимметричное напряженно-деформированное состояние упруго-пластических оболочечных конструкций средней толщины. йн-т пробл. машиностроения АН УССР, Харьков, 1982. - 25 с. Рукопись деп. в ВИНИТИ 02.09.82, №4730-82 Деп.

50. Самарский A.A. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971. -552 с.

51. Супонев Ю.Л., Юсов В.Н. Применение метода Ньютона-Канторовича для решения нелинейных задач теории оболочек.

52. В кн.: Расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1983, вып.24, с.210-221.

53. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластины и оболочки.- М.: Физматгиз, 1963. 635 с.

54. Шевченко Ю.Н. Термопластичность при переменных нагружениях. Киев: Наук.думка, 1970.-288 с.

55. Шевченко Ю.Н., Бабешко М.Е., Пискун В.В. и др. Решение осесимметричной задачи термопластичности для тонкостенных и толстостенных тел вращения на ЕС ЭВМ.- Киев: Наук.думка, 1980. 196 с.

56. Шевченко Ю.Н., Бабешко М.Е.,Пискун В.В., Савченко В.Г. Пространственные задачи термопластичности. -Киев: Наук.думка, 1980. 262 с.

57. Шевченко Ю.Н., Прохоренко И.В. Теория упруго-пластических оболочек при неизотермических процессах нагружения. Киев: Наук, думка, 1981. - 296 с./Методы расчета оболочек; Т.З/.

58. Шевченко Ю.Н., Терехов Р.Г. Физические уравнения термовяз-копластичности.- Киев: Наук.думка, 1982. 240 с.