مقاله ارزیابی و تحلیل مخزن تحت فشار با نرم افزار آباکوس

word قابل ویرایش
20 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
8700 تومان

ارزیابی و تحلیل مخزن تحت فشار با نرم افزار آباکوس
چکیده
مخازن تحت فشار از جمله تجهیزاتی هستند که در شاخه نفت و پتروشیمی و در اغلب صنایع اصلی نظیر نیروگاه و حمل و نقل از کاربرد ویژه و قابل توجهی برخوردار بوده و از این رو توجه به مقوله طراحی و ساخت آنها از اهمیت ویژه ای برخوردار است . در این مقاله به بررسی رفتار یک مخزن تحت فشاشر استوانهای از جنس فولاد با روش المان محدود توسط نرم افزار آباکوس می پردازیم .
در ابتدا محیط ها و ماژول های مختلف موجود درنرم افزار ار به طور مختصر مورد مطالعه قرار می دهیم و سپس به مدل سازی مسئله مورد مطالعه می پردازیم .ما در این شبیه سازی به دنبال دو هدف هستیم ، هدف اول آشنایی با قابلیت نرم افزار در تحلیل مسائل مکانیک شکست و مدل سازی ترک سه بعدی است و هدف دوم Subroutine نویسی جهت اعمال بارگذاری متغیر با زمان و مکان است . در انتها تنش را به عنوان خروجی نمایش می دهیم تا میزان تنش در راستای Z مشاهده شود. سپس پارامتر انتگرال J
که روی جبهه ی ترک محاسبه شده ، نمایش داده خواهد شد.
واژگان کلیدی: تحلیل ، مخزن تحت فشار ، آباکوس .

١- مقدمه
امروزه نیاز گسترده بسیاری از صنایع به استفاده از مخازن را نمی توان نادیده گرفت . در صنایع گوناگون بسته به نوع نیاز، از انواع مختلف مخازن استفاده می شود. بنابراین انتخاب صحیح یک مخزن با توجه به شرایط کاربری مورد نظر بسیار اهمیت دارد. انتخاب نامناسب یک مخزن می تواند خسارات مالی و جانی جبران ناپذیری را به همراه داشته باشد، نظیر مخازن به کاررفته در صنایع هسته ای ، نفتی و …. (١)
از جمله عیوبی که در هر سازه ای امکان رخ دادنش وجود دارد ترک می باشد که عموما دور از چشم و در عمق سازه رخ میدهد و به محض بحرانی شدن شرایط به یکباره سازه را تخریب می کند. بنابراین اگر بتوان نحوی اثر وجود ترک را در سازه محاسبه و پیش بینی کرد تا حد زیادی می توان از خسارات احتمالی پیشگیری کرد (٢-٣).
بنابراین لازم است اثر وجود یک ترک در یکسازه مورد بررسی قرار گیرد.
امروزه این کار بوسیله نرم افزار های شبیه ساز و تحلیلگر صورت می پذیرد، نکته مهم در این شبیه سازی ها این است که کاربر باید بتواند شرایط
واقعی سازه را به درستی مدل کند، اگر قسمتی را اشتباه شبیه سازی کند نتایج حاصله کاملا غلط و بدون استفاده است .
از مهم ترین و پرکاربرد ترین نرم افزار های تحلیلی می توان به آباکوس اشاره کرد. این نرم افزار امروزه به طور گسترده ای در بسیاری از صنایع از
جمله صنایع نظامی ،هوافضا،خودروسازی ،عمران و . . . کاربرد دارد. این نرم افزار به محیط های ده گانه ای تقسیم می شود که عبارت اند از(٣-٧): با حل یک مسئله به معرفی این محیط ها و اصول شبیه سازی یک مخزن تحت فشار حاوی ترک می پردازیم .
٢- مدل سازی ترک نیم بیضوی در مخزن استوانه ای تحت فشار داخلی ثابت و فشار خارجی متغیر با زمان و مکان و محاسبه انتگرال J :
٢-١- تعریف مسئله
در این مثال نحوه تحلیل یک مخزن سه بعدی دارای ترک نیم بیضوی(mm۴=mm, c۴=a)تحت فشار داخلی ثابت و فشار خارجی متغیر با زمان و مکان مورد بررسی قرار خواهد گرفت که در طی آن پارامتر انتگرال J در نقاط مختلف روی جبهه ترک به درست آورده خواهد شد. با توجه به نوع هندسه و بارگذاری، یک هشتم مخزن مدل می شود، لذا شرایط مرزی تقارن به آن اعمال می گردد. قطعه از جنس فولاد با ضریب پواسون ٠,٣،

مدول یانگ GPa٢٠٨و دانسیته /kg٧٨٠٠ است . برای اعمال بارگذاری متغیر با مکان و زمان از قابلیت سابروتین نویسی با نرم افزار فرترن استفاده می شود که برای برقراری ارتباط میان نرم افزار آباکوس و فرترن دو برنامه Microsoft VisualStudio و Visual Fortran باید نصب و با نرم افزار لینک شود.
٢-٢ – ماژول Part (مدل سازی هندسی )
ابتدا مخزن را با نام Pressure Vessel مدل کرده و سپس آن را با نام Crack_Block کپی و بلوک ترک را از مخزن جدا می نماییم . برای ایجاد مدل هندسی قطعات مورد بررسی مراحل زیر را طی نمایید:
١-وارد ماژول Part شده و دستور Create Part ( ) را مطابق شکل انتخاب کنید.
٢-در پنجره Create Part باز شده در کادر مقابل Name عبارت Pressure Vessel را وارد کنید سپس در قسمت Modeling Space گزینه D٣ در قسمت Type گزینه Deformable ودر قسمت Feature Base گزینه Solidرا انتخاب کرده و مقدار ١٠٠٠ را برایApproximate Size درنظر گرفته شود. سپس بر Continue کلیک شود. approximate size در واقع سایز صفحه کاری می باشد که معمولا ۴ الی ۵ برابر بزرگترین طول قطعه را برایش در نظر می گیرند. ٣-در محیط Sketch باز شده با استفاده از دستور Endpoints ٢ Create Arc: Center and ( )مانند شکل دو ربع دایره به شعاع ٣٠٠ و ٣١۵ و به مرکز(٠،٠) کشیده و با استفاده از دستور Create Lines: Connected ( )وربع دایره را به هم وصل نمایید. با کمک دستور ویرایشی Add Dimension ابعاد را اندازه گیری و یا ویرایش کنید تا شکل نهایی ایجاد شود.ابتدا با کلیک مجدد بر آخرین دستور استفاده شده از آن خارج شده و سپس بر روی دکمه Done کلیک کنید تا پنجره Edit Base Extrusion باز شود.
۴-در پنجره Edit Base Extrusion مقدار ۵٠٠ را در کادر مقابل Depth وارد کنید.با کلیک بر روی دکمه OK به ماژول Part برگردید
۵- برای جداسازی ناحیه دارای ترک با استفاده از ابزارPartition بندی، مدل هندسی را مانند شکل (١) پارتیشن بندی می کنیم :

شکل (١)- پارتیشن بندی
در گام بعدی یک کپی از قطعه ایجاد می کنیم سپس ناحیه بلوک ترک را از شکل کپی شده استخراج می کنیم ،این کار از طریق دستور Create Cut: Extrudeصورت میگیرد.شکل بلوک ترک استخراج شده در شکل (٢) مشخص است :

شکل (٢)- شکل بلوک ترک
در این مرحله تعدادی set و surface تعریف می کنیم :
Setبا نام pressure vessel را تعریف میکنیم و کل مخزن را به آن اختصاص می دهیم .
Setبانام Crack Block را تعریف می کنیم و کل ترک را به آن اختصاص می دهیم .
Surfaceبانام CB_f١ راتعریف می کنیم و از بلوک ترک،سطح با نرمال (Y+)را به آن اختصاص می دهیم .
Surfaceبانام CB_f٢ را تعرف می کنیم و از بلوک ترک،سطح با نرمال (Z-) را به آن اختصاص می دهیم .
Surfaceبا نام PV_f١ را تعریف میکنیم و از مخزن ،سطح با نرمال (Y-) را به آن اختصاص می دهیم .
Surface بانام PV_f٢ راتعریف میکنیم و از مخزن ،سطح با نرمال (Z+) را به آن اختصاص می دهیم .
از این set و surface ها در قسمت های بعد و برای راحت تر شدن کار استفاده خواهیم کرد.
٢-٣- ماژول Property(تعیین خواص مواد)
قطعه مورد بررسی در مثال حاضر از جنس فولاد با ضریب پواسون ٠,٣،مدول یانگ GPa٢٠٨و دانسیته /kg ٧٨٠٠ است .
در پنجره Edit Material عبارت Steelرا در کادر مقابل Name وارد کرده و مسیر General Density را طی نمایید.سپس در کادر مربوطه به Mass Density مقدار ۶-E٧۶را وارد کنید. حال در پنجره Edit Materialمطابق شکل مسیر Elasticity Elastic Mechanicalرا طی نمایید.سپس در کادر مربوط به s Modulus Poisson s RatioYoungبه ترتیب مقادیر ٢٠٨٠٠ و ٠,٣ را وارد و OK را بفشارید.
سپس در پنجره Create Section ،گزینه Solid از بخش Category و نیز گزینه Homogeneous از بخش Type را انتخاب کنید. برای اختصاص داد Sectionایجاد شده به مخزن ، بر دستور SectionAssignکلیک نمایید. این section را به بلوک ترک هم اختصاص می دهیم .
٢-۴- ماژول Assembly (مونتاژ)
در این مرحله بر دستور Instance Partکلیک کرده ،Crack_Block و Pressure Vesselرا بطور همزمان با نگه داشتن دکمه Shift انتخاب کنید. برای ایجاد ترک نیم بیضوی به اندازه mm۴=a و mm۴=c در قطعه Crack_Blockبا استفاده از ابزار پارتیشن بندی آن را بصورت شکل (٣) پارتیشن بندی می کنیم . دو کمان به شعاع های ۴ و ۶ ایجاد می کنیم .

شکل (٣)
از آنجایی که تنش در راس ترک(Crack tip) بینهایت است لذا باید از المان های سینگولار برای آن ناحیه استفاده نمود، چرا که این المان ها دقت مناسبی دارند و استفاده از آنها مقرون به صرفه است . بنابراین باید ابتدا با استفاده از روش Partition بندی رینگ های دایروی در این ناحیه ایجاد کرد تا بتوان به نواحیPartitionخورده حاصله ،چنین المان هایی را اختصاص داد. شکل حاصل بصورت زیر شکل (۴) است :

شکل (۴)- ایجاد رینگ های دایروی
حال این پارتیشن بندی ها را بوسیله کمان ۶ ، جاروب می کنیم .شکل نهایی بصورت (۵) زیر است :

شکل (۵)- جاروب پارتیشن بندی
دراین قسمت نیز تعدادی set و surface برای تعریف شرایط مرزی و بارگذاری ایجاد می کنیم :
Set با نام X-Symm را برای اعمال شرایط مرزی تقارنی نسبت به محور X تعریف می کنیم وسطح نشان داده شده را به آن اختصاص می دهیم :

شکل (۶) شرایط مرزی نسبت به محور X
Set با نام Y-Symm را برای اعمال شرایط مرزی تقارنی نسبت به محور Y تعریف می کنیم وسطح نشان داده شده را به آن اختصاص میدهیم
:

شکل (٧)- شرایط مرزی نسبت به محور Y
Setبا نام Z-Symm را برای اعمال شرایط مرزی تقارنی نسبت به محور Zتعریف می کنیم و سطح نشان داده شده را به آن اختصاص میدهیم :

شکل (٨)- شرایط مرزی نسبت به محور Z
Surface بانام Interiorرا برای اعمال فشار داخلی به مخزن ایجاد می کنیم و سطح داخلی مخزن را به آن اختصاص میدهیم .
Surface بانام Exterior را برای اعمال فشار خارجی متغیر بازمان و مکان به سطح خارجی مخزن ایجاد میکنیم و تمام سطح خارجی مخزن را به آن نسبت می دهیم .
٢-۵- ماژول Step (تعیین نوع تحلیل )
تحلیل مورد نظر شامل Step تحلیل استاتیکی غیر خطی است که در طی آن فشار داخلی ثابت و فشار خارجی متغیر با مکان و زمان به مخزن اعمال می شود.
برای ایجاد Step ،بر دستور Create Step مانند( ) کلیک کنید. سپس در پنجره Create Step ، از نوار کشویی مقابل Procedure type گزینه Generalرا انتخاب کرده و سپس گزینه Static، General را انتخاب نمایید. دکمه Continueرا فشار دهید تا پنجره Edit Step باز شود. گزینه Nlgeom را On میکنیم تا اجازه غیرخطی شدن را به تحلیل بدهیم و در قسمت Incrementationگزینه Fixedرا فعال میکنیم .
قبل از تعریف تاریخچه خروجی مورد نظر مانند نمودارهای انتگرال ،فاکتورهای شدت تنش و …،باید ناحیه دارای ترک و ویژگی های آن تعریف شود که برای این منظور ابتدا به ماژول Interaction رفته و پس از تعریف ترک و اختصاص آن به ناحیه مورد نظر، دوباره به ماژول Step برمی گردیم تا تاریخچه دلخواه را تعریف نماییم .
٢-۶- ماژول Interaction (تعیین بر هم کنش ها)
در این ماژول سطوح مشترک دو قطعه Pressure Vesselو Crack_Blockرا با استفاده از دستور Tieمقید کرده و سپس ترک را تعریف و پارامترهای آن را به نرم افزار معرفی می کنیم . برای مقید کردن سطوح دو قطعه Pressure Vessel و Crack_Block با استفاده از تکنیک ، روی دستور Create Constraint ( ) کلیک کرده و در پنجره ConstraintCreate گزینه Tieرا ،انتخاب و Continue را فشار دهید.
سپس در گام اول Surface با نام Vessel-PV-fPressure١را باSurface با نام CB-fCrack_Block١,١-بوسیله قیدTie به هم میچسبانبم .
در گام بعد Surface با نام Vessel-PV-fPressure٢را باSurface با نام CB-fCrack_Block٢,١- بوسیله قید Tie به هم میچسبانیم . برای تعریف ویژگی های ترک مانند شکل ،مسیر Create Crack Specialرا طی کنید.

۶

شکل (٩)- تعریف ویژگی ترک
در پنجره Create Crack،بر گزینه Contour integralکلیک Continueو را فشار دهید.
سپس در جواب Select the crack frontبر کمان به شعاع mm ۴ در صفحه XY ،کلیک کرده و Done را فشار دهید.
در جواب specify crack extension direction usingدو گزینه q vectors وNormal to crack planeوجود دارد که اولی مربوط به برداری در راستای رشد ترک بوده و دومی مربوط به بردار عمود بر راستای صفحه ترک است که در اینجا می توان هر کدام از این دو گزینه را انتخاب کرده و مختصات نقاط ابتدا و انتهای بردار مربوط را وارد کرد. به عنوان مثال بر دکمه Normal to crack planeکلیک کرده و در پاسخ به عبارات زیر به صورت زیر عمل کنید.به این صورت که پس از ورود مختصات های ارئه شده در کادر مربوط ، Enterرا فشار دهید.
Select start point for the crack normal-or enter coordinates:0،۰،۰
Select end point for the crack normal:0،۰،۱
در این صورت بردار عمود به صفحه ترک در راستای مثبت محور Z منطبق شده و سپس پنجره Edit Crack باز می شود.
از آنجایی که در این مثال نصف ترک مدل شده است ،در پنجره Edit Crackدر سربرگ General،گزینه -On symmetry plane)half (crack modelرا مانند شکل (١٠) با کلیک بر مربع کنار آن فعال کنید(تیک آن را بزنید)

شکل (١٠)- اصلاح مشخصات ترک
برای تعریف تاریخچه خروجی مورد نظر مانند نمودارهای J انتگرال ،فاکتورهای شدت تنش و …. دوباره به ماژول step بازگردید و بر دستور History Output Manager( ) کلیک کنید. سپس در پنجره History Output Requests Managerبر دکمه Edit کلیک کرده و وارد پنجره Requests History OutputEditشوید. حال در پنجره مذکور،از نوار کشویی مقابل Domainبر عبارت Crackکلیک کنید.دقت کنید که عبارت Crack١-که همان نام ویژگی ترک ایجاد شده در ماژول Interactionاست در کادر مقابل آن نمایان شود. لازم به ذکر است که در صورت تعریف بیش از یک ویژگی ترک می توان با کلیک بر مثلث کنار کادر مذکور،ویژگی مورد نظر را با کلیک بر نام آن انتخاب نمود. سپس گزینه Lastincrement از نوار کشویی مقابل Frequency را انتخاب و درکادر مقابل Number of contoursمقدار ۵ را وارد کرده و در قسمت Typeخروجی مورد نظر به عنوان مثال انتگرال Jرابا کلیک بر دایره کنار آن انتخاب کنید.
٢-٧- ماژول Load(بارگذاری و اعمال شرایط مرزی )
در این مثال ابتدا شرایط مرزی تقارن به قطعه اعمال شده و سپس فشار داخلی ثابت MPa٢٠ به Surfaceبا نام Interior-sو فشار خارجی تابع مکان و زمان به Surface با نام Exterior-sاعمال می شود.تابع فشار خارجی به صورت زیر تعریف می شود:

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
wordقابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 20 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد