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

Таблица 2 — Исходные данные

Таблица 3 — Исходные данные

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

Таблица 5 — Шов обечайки в зоне врезки штуцера

1.2 Расчёт в рабочих условиях Условия нагружения:

Нагрузки на штуцер (в системе координат аппарата) представлены на рисунке 3.

2. Расчет на прочность по МКЭ

2.1 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

Конечно-элементная модель узла врезки штуцера

Рис. 1. Конечно-элементная модель узла врезки

2.2 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.

2.3 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

Таблица 7 — Допускаемые нагрузки на штуцер при расчетном давлении*

* При превышении одного или нескольких компонентов необходим дополнительный расчёт на прочность Таблица 8 — Жёсткость врезки

Таблица 9 — Податливость врезки

3. Расчёт несущего элемента по ГОСТ 14 249–89

Исходные данные представлены в таблице 10.

Таблица 10 — Исходные данные

Данные по продольному шву представлены в таблице 11, а по окружному шву в таблице 12.

Коэффициенты прочности сварных швов:

Таблица 11 — Продольный шов

Таблица 12 — Окружной шов:

Расчёт в рабочих условиях

Условия нагружения представлены в таблице 13:

Таблица 13 — Условия нагружения

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 14 249–89

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

4,73 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))½ = 984 мм Минимальное расстояние между «одиночными» штуцерами:

= 2 * (600 * (10 — 2,18))½ = 137 мм

5. Расчёт укрепления отверстия по ГОСТ 24 755–89

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:

= 0,6 * 600 / (2 * 184 * 1 — 0,6) = 0,98 мм 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))½ = 984 мм

dp < d0: Условие прочности выполнено Расчетная длина внешней части штуцера:

= min{ 200; 1.25 * ((200 + 2 * 2,18) * (8 — 2,18))½} = 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))½ = 68,5 мм Расчетная ширина зоны укрепления:

= 68,5 мм Расчетный диаметр:

= 0.4 * (600 * (10 — 2,18))½ = 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

Ar = 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.