Определение оптимальной конструкции кронштейна в условиях геометрической стесненности — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
(→‎Материалы работы)
 
(не показаны 24 промежуточные версии 2 участников)
Строка 4: Строка 4:
  
 
==Введение==
 
==Введение==
−
 
 
Нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) представляет собой крупный промышленный комплекс, предназначенный для очистки сырой нефти, состоящий из большого количества оборудования различного назначения и размеров. Примером такого оборудования является ректификационная колонна. Такая колонна в диаметре может достигать 16 метров, а высотой – 90 метров и более.  
 
Нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) представляет собой крупный промышленный комплекс, предназначенный для очистки сырой нефти, состоящий из большого количества оборудования различного назначения и размеров. Примером такого оборудования является ректификационная колонна. Такая колонна в диаметре может достигать 16 метров, а высотой – 90 метров и более.  
 
Для удобства обслуживания и ремонта колонны оборудуются по всей высоте маршевыми лестницами с площадками. Крепятся такие площадки, как правило, с помощью кронштейнов непосредственно к корпусу аппарата, обеспечивая доступ к люкам, штуцерам и установленной на них арматуре.  
 
Для удобства обслуживания и ремонта колонны оборудуются по всей высоте маршевыми лестницами с площадками. Крепятся такие площадки, как правило, с помощью кронштейнов непосредственно к корпусу аппарата, обеспечивая доступ к люкам, штуцерам и установленной на них арматуре.  
−
В ситуациях, когда под кронштейном необходимо установить какое-либо оборудование или провести трубу, возникает проблема нагруженности оборудования весом обслуживающей площадки, а так же прочности самих элементов площадок. Одним из вариантов решения данной проблемы может быть подбор наиболее оптимальной конструкции кронштейнов, с помощью которых осуществляется крепление площадок к оборудованию. <br />
+
В ситуациях, когда под кронштейном необходимо установить какое-либо оборудование или провести трубу, возникает проблема нагруженности оборудования весом обслуживающей площадки, а так же прочности самих элементов площадок. Одним из вариантов решения данной проблемы может быть подбор наиболее оптимальной конструкции кронштейнов, с помощью которых осуществляется крепление площадок к оборудованию.<br />
 
Критерии оптимизации:
 
Критерии оптимизации:
 
* напряжения и перемещения в балках кронштейна в пределах допустимых, указанных в СНиП 2.01.07.85 (при прочих равных)
 
* напряжения и перемещения в балках кронштейна в пределах допустимых, указанных в СНиП 2.01.07.85 (при прочих равных)
Строка 21: Строка 20:
  
 
==Постановка задачи==
 
==Постановка задачи==
−
[[Файл:Uslov.png|200px|thumb|right|Граничные условия]]  
+
[[Файл:Kr.png|500px|thumb|right|Модель кронштейна]]
 +
 
 
По рабочему чертежу была построена конечно-элементная модель кронштейна.Верхняя балка кронштейна представляет собой балку сечения 12П.
 
По рабочему чертежу была построена конечно-элементная модель кронштейна.Верхняя балка кронштейна представляет собой балку сечения 12П.
−
Наклонная балка – уголок, размерами 90мм×7мм.
+
Наклонная балка – уголок, размерами 90мм×7мм.<br />
−
В качестве материала балок кронштейна была взята сталь С245
+
В качестве материала балок кронштейна была взята сталь С245<br />
−
Е  = 200 ГПа – модуль Юнга
+
Е  = 200 ГПа – модуль Юнга<br />
−
υ =  0.3 – коэффициент Пуассона
+
υ =  0.3 – коэффициент Пуассона<br />
 
На пластины A и B поставлено условие заделки. К пластинам C, D, E приложены силы, рассчитанные из параметров площадки, равные 2178 Н, 3824.4 Н и 1599.4 Н соответственно. Пластины прикреплены к швеллеру и уголку болтами, которые позволяют элементам конструкции двигаться в стороны в промежутке [-1.5, 1.5] мм. Между пластинами и балками конструкции выставлен контакт с трением μ = 0.3.
 
На пластины A и B поставлено условие заделки. К пластинам C, D, E приложены силы, рассчитанные из параметров площадки, равные 2178 Н, 3824.4 Н и 1599.4 Н соответственно. Пластины прикреплены к швеллеру и уголку болтами, которые позволяют элементам конструкции двигаться в стороны в промежутке [-1.5, 1.5] мм. Между пластинами и балками конструкции выставлен контакт с трением μ = 0.3.
  
−
Рассматривается процесс вдоха-выдоха. Будем ставить граничные  условия в соответствии с реальными бронхами:
+
==Полученные результаты==
−
<math> V_y = 3.2*\sin(Time)|_{Time\le\pi}+2.8\sin((Time+0.7268)/1.23)|_{Time>\pi} (м/с) </math><br>
+
[[Файл:Ustoi.png|500px|thumb|right|Потеря устойчивости]]
−
<math> P = 101325-98*\sin(Time)|_{Time\le\pi}+98\sin((Time+0.7268)/1.23)|_{Time>\pi} (Па) </math><br>
+
Рассмотрены изменение напряжений в швеллере и уголке в зависимости от угла наклона уголка при различных высотах кронштейна.<br />
−
<math> T_1 = 15^\circ </math><br>
+
Из соображений корректности геометрии кронштейна были выбраны три промежутка для высот и углов:<br />
−
<math> T_2 = 36.6^\circ </math><br>
+
- для высоты кронштейна Н [700;1000] мм угол наклона подкоса α [30;45]°<br />  
−
И начальные условия:<br>
+
- для высоты кронштейна Н [1000;1200] мм угол наклона подкоса α [35;45]°<br />
−
предполагаем, что в начальное время воздуха в легких нет, т.е. нет течения: <math>|u_0| = |v_0| = |w_0| = 0  </math> м/с. Так же будем считать, что давление в легких равно нормальному атмосферному давлению: <math>p_0 = 101325  </math> Па. Температура равна температуре человеческого тела: <math>T_0 = 36.6^\circ  </math> C.
+
- для высоты кронштейна Н [1200;1500] мм угол наклона подкоса α [40;45]°<br />
 +
В трех интервалах высот кронштейнов и углов наклона подкоса были выбраны оптимальные значения. Для интервалов [700;1000] мм  и  [30;45]° углы [35;40]° являются оптимальными параметрами. По промежуткам для высоты кронштейна [1000;1200] мм и угла наклона уголка [35;45] ° можно сказать, что оптимальный угол наклона - 39°.  По третьему промежутку высот кронштейна [1000;1200] мм и углов наклона уголка [35;45]° оптимальными параметрами будут являться угол 43.5° .<br />  
 +
Основания для таких выводов были получены исходя из графиков для напряжений в швеллере и уголке, перемещений и сил реакции опоры, действующей на кронштейн со стороны колонны. При подборе оптимальных параметров учитывались так же и количество материала, затрачиваемого на уголок.<br />
  
−
==Полученные результаты==
+
Так же исследован на устойчивость корпус оборудования  при одной фиксированной высоте кронштейна - 900 мм в интервале углов подкоса
−
===Поле скоростей===
+
Колонна устойчива на всем промежутке, и с ростом угла устойчивость растет.
−
[[File:vel-graph.png|350px]]<br>
 
−
{{#widget:YouTube|height=200|width=300|id=SlS07GKIHXU}}<br>
 
−
По анализу изменения поля скоростей во времени видно, что с уменьшением диаметра бронхов скорость возрастает. Наибольшая скорость возникает в мелких бронхах и соответственно в альвеолах.
 
−
===Поле давлений===
 
−
[[File:Press-graphpng.png|350px]]<br>
 
−
{{#widget:YouTube|height=200|width=300|id=uhO71OVBXPw}}<br>
 
−
Анализируя полученные результаты изменения давления в точках можем прийти к выводу – полученное поле давлений является верным. Данный вывод делаю из того, что при вдохе  давление в альвеолах падает на 98 Па, и является самым низким (синяя линия). Далее идет точка P2, в которой давление больше. Воздух будет течь от точки с более высоким давлением в точку с более низким. Давление в точке P1 (черная линия) самое высокое, соответственно воздух будет течь от P1 в точку P2 далее к «альвеолам» (точка Bound). Аналогичное, только обратное будет происходить в обратном порядке: от «альвеол» воздух будет течь в точку P2, далее в точку P1, что соответствует реальному выдоху.
 
−
===Поле температур===
 
−
[[File:Temp-graph.png|350px]]<br>
 
−
{{#widget:YouTube|height=200|width=300|id=Hb9dqGBBC7Y}}
 
−
{{#widget:YouTube|height=200|width=300|id=kvC1oS3omvM}}<br>
 
−
Анализируя полученные результаты распределения температуры: при вдыхании с увеличением скорости потока уменьшается температура в рассматриваемой точке, при  уменьшении скорости потока поток прогревается сильнее. При выдохе – весь воздух прогрет, и поток имеет одинаковую температуру.
 
  
 
==Вывод==
 
==Вывод==
 
Полученными результатами стали:
 
Полученными результатами стали:
−
* поле скоростей;
+
* оптимальные параметры кронштейна
−
* поле давлений;
+
* исследование оборудования на устойчивость
−
* поле температур;
 
−
Полученные результаты могут быть использованы:
 
−
* для исследования оседания частиц в легких (мелкодисперсная пыль аэрозоли);
 
−
* моделирования полностью легких, включая альвеолы, как пороупругий материал;
 
−
* при создании искусственных легких.
 
  
 
==Материалы работы==
 
==Материалы работы==
−
*'''[[Медиа:plakatBogdanov.pdf|Плакат (pdf)]]'''
+
*'''[[Медиа:PlakatTenitskaya.pdf|Плакат (pdf)]]'''
−
*'''[[Медиа:plakatBogdanov1.png|Плакат (png)]]'''
+
*'''[[Медиа:PlakatTenitskaya1.png|Плакат (png)]]'''
−
*'''[[Медиа:diplomBogdanov.pdf|Диплом (pdf)]]'''
+
*'''[[Медиа:Diplom_Tenitskoy_T.pdf|Диплом (pdf)]]'''
−
*'''[[Медиа:PrewBogdanov.pdf|Превью (pdf)]]'''
+
*'''[[Медиа:PreviewTenitskaya.pdf|Preview (pdf)]]'''
 +
*'''[[Медиа:DiplomTenitskayaPres.pptx|Презентация (pptx)]]
  
−
==Список литературы==
+
1. ГОСТ 8240-89. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент. – Введ. 1990-01-09. – М.: Изд-во стандартов, 1998.— 5 с.<br />
−
# Белебезьев, Г.И., Козяр, В.В.. Физиология и патофизиология искусственной вентиляции легких. Часть I - Ника-Центр, Киев, 2003
+
2. Графический интерфейс комплекса Ansys/ К.А. Басов. – М.:ДМК Пресс, 2006. – 248с.,ил<br />
−
# Белов, И.А., Исаев, С.А. Моделирование турбулентных течений Учеб. пособие. – СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2001. –108 с.
+
3. Коршак А. А. Основы нефтегазового дела/ А.А. Коршак, А. М. Шаммазов.//  Дизайнполиграфсервис, 2005. – 544с.<br />
−
# Березовский, В.А., Колотилов, Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. Киев, 1990.
+
4. Плоский изгиб [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.soprotmat.ru/izgib.htm<br />
−
# Варламов, В.А., Варламов, Г.В., Власова, Н.М., Зубрилова, И.С., Котомин, М.Б. Углубленные кадровые проверки М. 2003
+
5. Прикладная механика твердого деформируемого тела / Филин А.П. — М.: Наука,1978. – 616с.<br />
−
# Гарбарук, А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учебное пособие / А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, М.Л. Шур – СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 88 с.  
+
6. Сопротивление материалов / В. И. Феодосьев. – М.: МГТУ им. Баумана, 1999. – 592с.<br />
−
# Злыгостев, А.С., Марченко, Т.О. Анатомия и физиология человека /Авторы-составители: Злыгостев А.С., Марченко Т.О. - Таганрог: http://anfiz.ru/, 2012
+
7. Строительные нормы и правила: Нагрузки и воздействия: СНиП 2.01.07-88: Введ. 1.01.1987 - М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2004. – 31с: ил.<br />
−
# Книпович, Н. М. Бронхи  Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
+
8. Строительная механика тонкостенных конструкций / В.И. Погорелов. – СПб.: БХВ - Петербург, 2007. – 528с.<br />
−
# Лагунова, И.Г. Трахео-бронхиальное дерево человека в период его роста (Анатомо-рентгенологическое исследование) / И.Г. Лагунова // Нарушения бронхиальной проходимости. — М., 1946. — С. 210.
 
−
# Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. - 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.
 
−
# Лукомский, Г.И. Атлас бронхоскопии / Г. И. Лукомский, В. А. Спасская. - М. : Медучпособие, 1965. - 90 с.
 
−
# Неттер, Ф. Атлас анатомии человека: Уч. пос.-атлас / Под ред. Н.О. Бартоша; Пер. с англ. А.П. Киясова. – м.: гэотар-мед, 2003.
 
−
# Орлов, Р.С. Нормальная физиология / Р.С. Орлов, А.Д. Ноздрачев.- М: ГЭОТАР-МЕД, 2005.
 
−
# Роуч, П. Вычислительная гидродинамика. – М.: Мир, 1980. – 616с.
 
−
# Сапин, М.Р. Анатомия человека, 2-х томах. М.: «Медицина», 2003 . – 992 с
 
−
# Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах: Т. 1 и 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1991. – 504 с.
 
−
# Devdatta, V.K.Katiyar, Pratibha, Sarita. Numerical simulation of flow structure and deposition of particles in Asthematic Airway Bifurcation/ Department of Mathematics, Indian Institute of Technology Roorkee, Uttrakhand, India, 2012.
 
−
# Gihad Ibrahim. CFD models of the bronchial airways with dynamic boundaries/ Department of Engineering University of Leicester, Leicester, England, 2014.
 
−
# ANSYS CFX-Solver Theory Guide ANSYS, Inc. 2009
 
−
# http://cae-expert.ru/product/ansys-cfx
 
−
# http://cae-club.ru
 
−
# http://www.ansys.com/
 

Текущая версия на 00:25, 23 июня 2016

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА
Автор работы: Т. А. Теницкая
Руководитель: аспирант кафедры ТМ О. В. Бразгина

Введение[править]

Нефтеперерабатывающий завод (НПЗ) представляет собой крупный промышленный комплекс, предназначенный для очистки сырой нефти, состоящий из большого количества оборудования различного назначения и размеров. Примером такого оборудования является ректификационная колонна. Такая колонна в диаметре может достигать 16 метров, а высотой – 90 метров и более. Для удобства обслуживания и ремонта колонны оборудуются по всей высоте маршевыми лестницами с площадками. Крепятся такие площадки, как правило, с помощью кронштейнов непосредственно к корпусу аппарата, обеспечивая доступ к люкам, штуцерам и установленной на них арматуре. В ситуациях, когда под кронштейном необходимо установить какое-либо оборудование или провести трубу, возникает проблема нагруженности оборудования весом обслуживающей площадки, а так же прочности самих элементов площадок. Одним из вариантов решения данной проблемы может быть подбор наиболее оптимальной конструкции кронштейнов, с помощью которых осуществляется крепление площадок к оборудованию.
Критерии оптимизации:

  • напряжения и перемещения в балках кронштейна в пределах допустимых, указанных в СНиП 2.01.07.85 (при прочих равных)
  • масса металлоконструкций должна быть минимальной
  • нагрузки в точках опирания на корпус аппарата в пределах допустимых, не нарушающие его устойчивость

Цель работы[править]

Оптимизация кронштейна в условиях геометрической стесненности в конечно-элементном пакете Ansys.

Задачи дипломной работы:[править]

  • решить задачу оптимизации конструкции кронштейна в условиях геометрической стесненности
  • исследовать на устойчивость корпус оборудования при возможных вариантах конструкции кронштейна

Постановка задачи[править]

Модель кронштейна

По рабочему чертежу была построена конечно-элементная модель кронштейна.Верхняя балка кронштейна представляет собой балку сечения 12П. Наклонная балка – уголок, размерами 90мм×7мм.
В качестве материала балок кронштейна была взята сталь С245
Е = 200 ГПа – модуль Юнга
υ = 0.3 – коэффициент Пуассона
На пластины A и B поставлено условие заделки. К пластинам C, D, E приложены силы, рассчитанные из параметров площадки, равные 2178 Н, 3824.4 Н и 1599.4 Н соответственно. Пластины прикреплены к швеллеру и уголку болтами, которые позволяют элементам конструкции двигаться в стороны в промежутке [-1.5, 1.5] мм. Между пластинами и балками конструкции выставлен контакт с трением μ = 0.3.

Полученные результаты[править]

Потеря устойчивости

Рассмотрены изменение напряжений в швеллере и уголке в зависимости от угла наклона уголка при различных высотах кронштейна.
Из соображений корректности геометрии кронштейна были выбраны три промежутка для высот и углов:
- для высоты кронштейна Н [700;1000] мм угол наклона подкоса α [30;45]°
- для высоты кронштейна Н [1000;1200] мм угол наклона подкоса α [35;45]°
- для высоты кронштейна Н [1200;1500] мм угол наклона подкоса α [40;45]°
В трех интервалах высот кронштейнов и углов наклона подкоса были выбраны оптимальные значения. Для интервалов [700;1000] мм и [30;45]° углы [35;40]° являются оптимальными параметрами. По промежуткам для высоты кронштейна [1000;1200] мм и угла наклона уголка [35;45] ° можно сказать, что оптимальный угол наклона - 39°. По третьему промежутку высот кронштейна [1000;1200] мм и углов наклона уголка [35;45]° оптимальными параметрами будут являться угол 43.5° .
Основания для таких выводов были получены исходя из графиков для напряжений в швеллере и уголке, перемещений и сил реакции опоры, действующей на кронштейн со стороны колонны. При подборе оптимальных параметров учитывались так же и количество материала, затрачиваемого на уголок.

Так же исследован на устойчивость корпус оборудования при одной фиксированной высоте кронштейна - 900 мм в интервале углов подкоса Колонна устойчива на всем промежутке, и с ростом угла устойчивость растет.

Вывод[править]

Полученными результатами стали:

  • оптимальные параметры кронштейна
  • исследование оборудования на устойчивость

Материалы работы[править]

1. ГОСТ 8240-89. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент. – Введ. 1990-01-09. – М.: Изд-во стандартов, 1998.— 5 с.
2. Графический интерфейс комплекса Ansys/ К.А. Басов. – М.:ДМК Пресс, 2006. – 248с.,ил
3. Коршак А. А. Основы нефтегазового дела/ А.А. Коршак, А. М. Шаммазов.// Дизайнполиграфсервис, 2005. – 544с.
4. Плоский изгиб [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.soprotmat.ru/izgib.htm
5. Прикладная механика твердого деформируемого тела / Филин А.П. — М.: Наука,1978. – 616с.
6. Сопротивление материалов / В. И. Феодосьев. – М.: МГТУ им. Баумана, 1999. – 592с.
7. Строительные нормы и правила: Нагрузки и воздействия: СНиП 2.01.07-88: Введ. 1.01.1987 - М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2004. – 31с: ил.
8. Строительная механика тонкостенных конструкций / В.И. Погорелов. – СПб.: БХВ - Петербург, 2007. – 528с.

Источник — «http://tm.spbstu.ru/?title=Определение_оптимальной_конструкции_кронштейна_в_условиях_геометрической_стесненности&oldid=43127»