Расчёт узла врезки штуцера на прочность
1. Расчёт узла врезки штуцера на прочность
Исходные данные приведены в таблицах 1,2 и 3
Таблица 1 - Исходные данные
|
Элемент
|
Расчёт на прочность по МКЭ
|
|
Тип элемента, несущего штуцер
|
Обечайка цилиндрическая
|
|
Тип штуцера
|
Непроходящий без укрепления
|
Таблица 2 - Исходные данные
|
Материал несущего элемента:
|
12Х18Н10Т
|
|
Толщина стенки несущего элемента, s:
|
10 мм
|
|
Сумма прибавок к стенке несущего элемента, c:
|
2,18 мм
|
|
Материал штуцера:
|
12Х18Н10Т
|
|
Внутренний диаметр штуцера, d:
|
200 мм
|
|
Толщина стенки штуцера, s1:
|
8 мм
|
|
Сумма прибавок к толщине стенки штуцера (включая коррозию),
cs:
|
2,18 мм
|
|
Длина штуцера, l1:
|
200 мм
|
Таблица 3 - Исходные данные
|
Длина обечайки, L:
|
3770 мм
|
|
Внутренний диаметр обечайки, D:
|
600 мм
|
|
Смещение штуцера, Lш:
|
320 мм
|
|
Угол поворота штуцера, J:
|
0 градус
|
|
Минимальный размер сварного шва, D</SPAN:<
p>
|
10 мм
|
Данные по продольному шву штуцера представлены в таблице 4, а по шву
обечайки в зоне врезки штуцера снесены в таблицу 5.
Таблица 4 - Продольный шов штуцера
|
Тип шва
|
Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром,
автоматический
|
|
Контроль 100%
|
Да
|
|
jl
|
1
|
Таблица 5 - Шов обечайки в зоне врезки штуцера
|
Тип шва
|
Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром,
автоматический
|
|
Контроль 100%
|
Да
|
|
js
|
1
|
.2 Расчёт в рабочих условиях
Условия нагружения:
|
Расчётная температура, T:
|
20
|
oC
|
|
Расчётное внутреннее избыточное давление, p:
|
0,6
|
МПа
|
Нагрузки на штуцер (в системе координат аппарата) представлены на рисунке
3.
2. Расчет на
прочность по МКЭ
.1
Допускаемые напряжения
Уровень разбивки - 1
Коэффициент запаса, учитывающий уровень разбивки: Km = 1,3
Свойства
материала элемента, несущего штуцер
Номинальные допускаемые напряжения при температуре 20 oC:
[б] =
1 / 1,3 * min{276 / 1.5; 540 / 2.6}=142 МПа
Допускаемые максимальные приведённые напряжения
[б]RV =
1 / 1,3 * min{ (2.5 - 276 / 540) * 276; 2 * 276 } = 422 МПа
Модуль продольной упругости при температуре 20 oC
E= 2∙105МПа
Рис. 1. Конечно-элементная модель узла врезки
.2 Расчет
напряжений от давления
Рисунок 2 - Мембранные напряжения от давления, Мпа
Заключение:
Для обечайки 40,7 МПа ≤ 184 МПа.
Для штуцера 29,1 МПа ≤ 184 МПа.
Условие прочности ВЫПОЛНЕНО.
Условие прочности ВЫПОЛНЕНО.
.3 Расчет
напряжений от совместного действия сил и давления
Рисунок 3 - Мембранные напряжения от совместного действия сил и давления,
МПа.
Заключение:
Условие прочности ВЫПОЛНЕНО.
Для штуцера 
29,1 МПа
≤ 
212 МПа.
Для обечайки 40,7 МПа ≤ 212 МПа.
Условие прочности ВЫПОЛНЕНО.
Рисунок 4 - Общие (мембранные и изгибные) напряжения на внешней
поверхности, Мпа.
Заключение:
Для обечайки 
46 МПа ≤ 
422 МПа.
Условие прочности ВЫПОЛНЕНО.
Для штуцера 
24,7 МПа
≤ 
422 МПа.
Условие прочности ВЫПОЛНЕНО.
Рисунок 5 - Общие (мембранные и изгибные) напряжения на внутренней
поверхности, МПа.
Заключение:
Для обечайки 
47,7 МПа
≤ 422 МПа.
Условие прочности ВЫПОЛНЕНО.
Для штуцера 44,2 МПа
≤ 422 МПа.
Условие прочности ВЫПОЛНЕНО.
Общее заключение:
Условие прочности Работоспособность обеспечена.
2.4
Допускаемые нагрузки на штуцер (в системе координат аппарата)
Таблица 6 -
Допускаемые индивидуальные нагрузки на штуцер при отсутствии действия
остальных, включая давление
|
 , кГс
|
 , кГс
|
 , кГс
|
 , кГс см
|
 , кГс см
|
 , кГс см
|
 , МПа
|
|
4,15∙103
|
1,53∙104
|
9,11∙103
|
1,74∙105
|
3,64∙105
|
7,7∙104
|
2,71
|
Таблица 7 -
Допускаемые нагрузки на штуцер при расчетном давлении*
|
, кГс, кГс, кГс, кГс см, кГс см, кГс см, МПа
|
|
|
|
|
|
|
|
839
|
3,09∙103
|
1,84∙103
|
3,51∙104
|
7,35∙104
|
1,56∙104
|
0,6
|
* При превышении одного или нескольких компонентов необходим
дополнительный расчёт на прочность
Таблица 8 - Жёсткость врезки
|
Линейная, кГс/мм
|
Угловая, кГс см/гр
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,42∙103
|
1,98∙104
|
7,95∙103
|
6,61∙105
|
2,58∙106
|
2,44∙105
|
Таблица 9 - Податливость врезки
Угловая, гр/кГс см
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,226∙10-3
|
0,504∙10-4
|
0,126∙10-3
|
0,151∙10-5
|
0,387∙10-6
|
0,41∙10-5
|
3. Расчёт
несущего элемента по ГОСТ 14249-89
Исходные данные представлены в таблице 10.
Таблица 10 -
Исходные данные
|
Материал:
|
12Х18Н10Т
|
|
Внутр. диаметр, D:
|
600 мм
|
|
Толщина стенки, s:
|
10 мм
|
|
Сумма прибавок к расчётной толщине стенки, c:
|
2,18 мм
|
|
Длина обечайки, L:
|
3770 мм
|
Данные по продольному шву представлены в таблице 11, а по окружному шву в
таблице 12.
Коэффициенты прочности сварных швов:
Таблица 11 - Продольный шов
|
Тип шва
|
Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром,
автоматический
|
|
Контроль 100%
|
Да
|
|
|
1
|
Таблица 12 - Окружной шов:
|
Тип шва
|
Стыковой или тавровый с двусторонним сплошным проваром,
автоматический
|
|
Контроль 100%
|
Да
|
|
|
1
|
Расчёт в
рабочих условиях
Условия
нагружения представлены в таблице 13:
Таблица 13 -
Условия нагружения
|
Расчётная температура, T:
|
20 oC
|
|
Расчётное внутреннее избыточное давление, p:
|
0,6 МПа
|
|
Расчётный изгибающий момент, M:
|
0 кГс см
|
|
Расчётное поперечное усилие, Q:
|
0 кГс
|
|
Расчётное осевое растягивающее усилие, F:
|
0 кГс
|
Результаты
расчёта:
Допускаемые напряжения для материала 12Х18Н10Т при температуре 20 oC (рабочие условия):
[б]20 = 184 МПа
Модуль продольной упругости при температуре 20 oC:
E 20 = 2∙105 МПа
штуцер узел врезка шов
4. Расчёт на
прочность и устойчивость по ГОСТ 14249-89
Гладкая
обечайка, нагруженная внутренним избыточным давлением (п. 2.3.1.).
Расчётная толщина стенки с учётом прибавок:
= (0,6 * 600)/(2 * 184 * 1 - 0,6) + 2,18 =3,1599 мм
Допускаемое давление:
= 2 * 184 * 1 * (10 - 2,18) / (600 + 10 - 2,18) = 4,73 МПа
,73 МПа >= 0,6 МПа
Заключение: Условие прочности и устойчивости выполнено
Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления:
= 2 * ((10 - 2,18) / 0,98 - 0.8) * (600 * (10 - 2,18))1/2 =
984 мм
Минимальное расстояние между “одиночными” штуцерами:
= 2 * (600 * (10 - 2,18))1/2 = 137 мм
5. Расчёт
укрепления отверстия по ГОСТ 24755-89
Допускаемые
напряжения
Свойства
материала элемента, несущего штуцер
Допускаемые напряжения для материала 12Х18Н10Т при температуре 20 oC (рабочие условия):
[б]20 = 184 МПа
Свойства
материала штуцера
Допускаемые напряжения для материала 12Х18Н10Т при температуре 20 oC (рабочие условия):
[б]201 = 184 МПа
Расчётная толщина стенки обечайки:
Условный расчётный диаметр отверстия:
=200 = 200 мм
Расчётный диаметр отверстия (ось штуцера совпадает с нормалью к
поверхности в центре отверстия):
=200 + 2 * 2,18 = 204 мм
Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления:
= 2 * ((10 - 2,18) / 0,98 - 0.8) * (600 * (10 - 2,18))1/2 =
984 мм
< d0: Условие прочности выполнено
Расчетная длина внешней части штуцера:
= min{ 200; 1.25 * ((200 + 2 * 2,18) * (8 - 2,18))1/2} =
43,1 мм
Отношения
допускаемых напряжений (п. 2.6)
Для внешней части штуцера:
=min{1.0, 184 / 184} = 1
Ширина зоны укрепления:
= (600 * (10 - 2,18))1/2 = 68,5 мм
Расчетная ширина зоны укрепления:
= 68,5 мм
Расчетный диаметр:
= 0.4 * (600 * (10 - 2,18))1/2 = 27,4 мм
= min{1; [1 + (43,1 * (8 - 2,18) * 1 + 0 * 0 * 0 + 0 * (0 - 2 * 2,18) *
1) / (68,5 * (10 - 2,18))] / [1 + 0.5 * (204 - 27,4) / 68,5 + 1 * (200 +
2*2,18) / 600 * 1 / 1 * 43,1 / 68,5] = 0,586}
= 0,586
=2 * 1 * (10 - 2,18) * 1 * 184 * 0,586 / [600 + (10 - 2,18)
* 0,586] = 2,79 МПа
Допускаемое давление [p] = 2,79 МПа >= 0,6 МПа
Заключение: Условие прочности и устойчивости выполнено
Площадь, необходимая для укрепления отверстия:
= 0.5 * (204 - 27,4) * 0,98 = 0,867 кв. см
Расчётная толщина стенки штуцера:
= 0,6 * (200 + 2 * 2,18) / (2 * 184 * 1 - 0,6) = 0,334 мм
Располагаемая площадь укрепления
отверстия:
= 43,1 * (8 - 0,334 - 2,18) * 1 + 0 * 0 * 0 + 0 * (0 - 2,18 - 0) * 1 +
68,5 * (10 -0,98 - 2,18) = 7,05 кв. см
= 0,867 кв. см <= 7,05 кв. см
Минимальные размеры сварных швов должны удовлетворять условию:
= 2.1 * (43,1 * 0,334) / (200 + 2 * 0,334) = 0,151 мм <=
10 мм
Заключение: Условие прочности выполнено
Список литературы
1. Лащинский
А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. - Справочник. - Л.:
Машиностроение, 1981.- 385с.