Определение оптимальной конструкции кронштейна в условиях геометрической стесненности

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск

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

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. 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

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

Задачи дипломной работы:

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

Постановка задачи

Граничные условия

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.

Рассматривается процесс вдоха-выдоха. Будем ставить граничные условия в соответствии с реальными бронхами: [math] V_y = 3.2*\sin(Time)|_{Time\le\pi}+2.8\sin((Time+0.7268)/1.23)|_{Time\gt \pi} (м/с) [/math]
[math] P = 101325-98*\sin(Time)|_{Time\le\pi}+98\sin((Time+0.7268)/1.23)|_{Time\gt \pi} (Па) [/math]
[math] T_1 = 15^\circ [/math]
[math] T_2 = 36.6^\circ [/math]
И начальные условия:
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.

Полученные результаты

Поле скоростей

Vel-graph.png

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

Press-graphpng.png

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

Temp-graph.png

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

Полученными результатами стали:

  • поле скоростей;
  • поле давлений;
  • 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

Список литературы

  1. Белебезьев, Г.И., Козяр, В.В.. Физиология и патофизиология искусственной вентиляции легких. Часть I - Ника-Центр, Киев, 2003
  2. Белов, И.А., Исаев, С.А. Моделирование турбулентных течений Учеб. пособие. – СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2001. –108 с.
  3. Березовский, В.А., Колотилов, Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. Киев, 1990.
  4. Варламов, В.А., Варламов, Г.В., Власова, Н.М., Зубрилова, И.С., Котомин, М.Б. Углубленные кадровые проверки М. 2003
  5. 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. Злыгостев, А.С., Марченко, Т.О. Анатомия и физиология человека /Авторы-составители: Злыгостев А.С., Марченко Т.О. - Таганрог: http://anfiz.ru/, 2012
  7. Книпович, Н. М. Бронхи Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  8. Лагунова, И.Г. Трахео-бронхиальное дерево человека в период его роста (Анатомо-рентгенологическое исследование) / И.Г. Лагунова // Нарушения бронхиальной проходимости. — М., 1946. — С. 210.
  9. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. - 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.
  10. Лукомский, Г.И. Атлас бронхоскопии / Г. И. Лукомский, В. А. Спасская. - М. : Медучпособие, 1965. - 90 с.
  11. Неттер, Ф. Атлас анатомии человека: Уч. пос.-атлас / Под ред. Н.О. Бартоша; Пер. с англ. А.П. Киясова. – м.: гэотар-мед, 2003.
  12. Орлов, Р.С. Нормальная физиология / Р.С. Орлов, А.Д. Ноздрачев.- М: ГЭОТАР-МЕД, 2005.
  13. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика. – М.: Мир, 1980. – 616с.
  14. Сапин, М.Р. Анатомия человека, 2-х томах. М.: «Медицина», 2003 . – 992 с
  15. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х томах: Т. 1 и 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1991. – 504 с.
  16. 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.
  17. Gihad Ibrahim. CFD models of the bronchial airways with dynamic boundaries/ Department of Engineering University of Leicester, Leicester, England, 2014.
  18. ANSYS CFX-Solver Theory Guide ANSYS, Inc. 2009
  19. http://cae-expert.ru/product/ansys-cfx
  20. http://cae-club.ru
  21. http://www.ansys.com/
Источник — «http://tm.spbstu.ru/?title=Определение_оптимальной_конструкции_кронштейна_в_условиях_геометрической_стесненности&oldid=43081»