Глава 3.

Методическое пособие по расчету сварных соединений в CAE-системе Femap

Расчет напряженно-деформированного состояния типового сварного соединения в упругой стадии работы с помощью системы инженерного анализа Femap 10.1.

Постановка задачи:

Выполнить расчет типового сварного соединения применяемого в конструкции кожухотрубчатого теплообменника.

Возьмем один из наиболее часто применяемых типоразмеров сварных соединений: d – 1005 мм, t – 65 мм, b – 1 мм, где d – внутренний диаметр трубки, h – толщина трубки, t – шаг отверстий на трубной решетке, b – зазор между трубкой и трубной решеткой.

Длина трубки выбрана таким образом, чтобы на напряжения в сварном шве не влияли краевые эффекты от приложения силы к концу трубы. Конструктивная схема с указанием всех размеров представлена на Рис. 1.

Конструкционный материал - Сталь Х18Н10Т. Механические характеристики материала: модуль упругости E = 2*10⁵ МПа, модуль сдвига G = 0,77*10⁵ МПа, коэффициент Пуассона = 0,3, предел текучести = 250 МПа, предел прочности = 450 МПа.

Конструкция нагружена внутренним давлением q = 10 МПа. При воздействии внутреннего давления на незакрепленную трубку возникает еще одна нагрузка - осевое усилие. Для каждого значения давления вычисляется соответствующее значение осевого усилия по формуле:

В данном случае Р = 4906, 3 Н 78500

Расчетная схема сварного соединения представлена на Рис.2.

Для исследования напряженно-деформированного состояния достаточно, используя осевую симметрию конструкции, рассмотреть 1/360 часть сварного соединения.

В  рассматриваемой задаче используем  основные  единицы  измерения: размеры – в  миллиметрах  (мм), усилия – в ньютонах (Н), давление и напряжения – в МПа (Н/мм²). Обратите  внимание  на  то, что  MSC/NASTRAN  предполагает  использование  согласованной  системы  единиц  измерения. Поэтому  необходимо  следить  за  тем, чтобы  при решении задачи  не  происходило  смешение единиц измерения (например, использование  миллиметров и сантиметров  в  одной  задачи  недопустимо).

  

Рис.1. Конструктивная схема с указанием всех размеров

Рис.2. Расчетная схема сварного соединения

Выполнить:

Расчет напряженно-деформированного состояния сварного соединения методом конечных элементов с помощью САЕ-системы Femap 10.1.

Порядок расчета сварного соединения с помощью

САЕ-системы FEMAP 10.1.

1. Формирование геометрической модели

Запускаем программу FEMAP 10.1. На экране появится главное окно программы.

Формирование  новой  модели начинаем, выбрав  последовательность  команд  File  (файл)  New  (новый). Затем выбираем File | Save As, выбираем каталог для размещения файла модели сварного соединения и задаем имя файла, например, Svarka_01.

Определение рабочей плоскости

Методы графического выбора требуют установить способ перехода от трехмерного пространства модели к двумерному пространству экрана. Программа FEMAP использует определение рабочей плоскости {Workplane), как размещение двумерной зоны выбора в трехмерном пространстве. Рабочая плоскость - это плоскость, которую мы произвольно размещаем в трехмерном пространстве. С рабочей плоскостью связана система координат, следовательно, определено начало координат (Origin) и направление осей X и Y рабочей плоскости.

Выполнив последовательность команд Tools | Workplane, на экране появится диалоговое окно управления рабочей плоскостью, представленное на Рис. 1. Для того, чтобы разместить рабочую плоскость в пространстве модели нажимаем «Global Plane».

Рис.3. Управление рабочей плоскостью

Полагаем, что ось Z является направляющей, а 2D эскиз мы будем строить в осях XY. Выбираем «ZX Plane».

Рис.4. Выбор системы координат

Поворачиваем рабочую плоскость выбрав «ZX Front», выполнив последовательность команд View | Rotate.