Авторы: К.В. Ефанов
Опубликовано на портале «Химическая техника», июль 2019
Аннотация:
В статье показана возможность применения решения решетчатых ребристых оболочек для проектирования тяжелых нефтегазовых аппаратов с минимальной массой.
Для тяжелых нефтяных аппаратов важной проблемой является минимальная масса, что связано с расходом металла (особенно важно для корпусов из специальных сплавов), транспортировкой и монтажом, конструкцией постамента. Наиболее легкую конструкцию можно получить применением для корпуса аппарата решетчатых ребристых оболочек.
Ребристые оболочки представляют собой гладкую оболочку, например, цилиндрическую обечайку, с приваренными ребрами жесткости, которые могут быть поперечными и продольными.
Схемы силового взаимодействия и распределения напряжений в пространстве имеют существенные различия для гладких и ребристых оболочек. Ребристая оболочка, полученная установкой ребер на гладкую оболочку минимальной толщины, имеет прочностные характеристики, соответствующие гладкой оболочке с более толстой стенкой (эквивалентная оболочка). О замене ребристой оболочки эквивалентной ей гладкой оболочкой сказано в работе [1].
В практике конструирования нефтяных колонных аппаратов используются только поперечные ребра (укрепляющие кольца). Такие кольца устанавливаются для повышения устойчивости гладкой оболочки в случаях, когда минимальная толщина стенки по результатам расчётов на прочность не обеспечивает устойчивость при вакууме внутри аппарата.
По габаритам с оболочками нефтяных аппаратов можно сравнить оболочки корпусов аппаратов, предназначенных для космоса (ракет-носителей). В оболочках таких аппаратов используются ребристые оболочки с продольными и поперечными ребрами, т.е. решетчатая конструкция. Такое решение обеспечивает минимальную массу. Можно сделать заключение, что в оболочках аппаратов для космоса решение по ребристым оболочкам реализовано глубже в виде применения решетчатой схемы ребер.
При установке продольных ребер в дополнение к поперечным ребрам получается ребристая оболочка с решетчатой схемой ребер жесткости. Такая схема при наиболее высокой прочности и устойчивости позволяет получить оболочку с минимальной массой.
Выбрав по результатам расчетов на прочность и устойчивость минимальную толщину стенки гладкой оболочки, её можно уменьшить установкой ребер жесткости, т.е. заменить ребристой оболочкой. Такое решение уже применяется в конструировании колонных аппаратов в части укрепляющих поперечных колец. Применение ребристой оболочки с решетчатой схемой расположения ребер позволит получить наименее металлоемкую конструкцию (см. рисунок).
Данные по расчету на прочность и устойчивость решетчатых ребристых оболочек приведены в работах [2–4], по расчету методом конечных элементов – в работе [5].
Подход к конструированию с использованием пространственного силового взаимодействия можно отнести к элементам бионического дизайна (из конструкций природы), самого совершенного способа конструирования.
Список литературы
- Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпромгиз. 1962. 431 с.
- Усюкин В.И. Строительная механика конструкций космической техники. М.: Высшая школа, 1988. 392 с.
- Балабух Л.И., Алфутов Н.А., Усюкин В.И. Строительная механика ракет. М.: Высшая школа, 1984. 391 с.
- Моссаковский В.И., Макаренов А.Г., Никитин П.И., Саввин Ю.И., Спиридонов И.Н. Прочность ракетных конструкций. М.: Высшая школа, 1990. 359 с.
- Пересыпкин В.П., Пересыпкин К.В., Иванова Е.А. Проектирование силовых конструкций ракет-носителей с применением метода конечных элементов. Самара: Самарский гос. аэрокосм. ун-т, 2012. 95 с.
