Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов
Проанализировано напряженное состояние тройника, в котором штуцер расположен по отношению к оси трубы под углом 90 и 45°, при действии крутящих и изгибающих моментов, вызывающих кручение и изгиб из плоскости тройника. Показано влияние угла наклона штуцера на характер изменения компонент тензора н...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2000 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2000
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46228 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов / С.В. Кобельский, В.И. Кравченко, А.Л. Квитка, П.П. Ворошко, И.А. Клименко, Б. Поспишил // Проблемы прочности. — 2000. — № 3. — С. 69-75. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859761810988597248 |
|---|---|
| author | Кобельский, С.В. Кравченко, В.И. Квитка, А.Л. Ворошко, П.П. Клименко, И.А. Поспишил, Б. |
| author_facet | Кобельский, С.В. Кравченко, В.И. Квитка, А.Л. Ворошко, П.П. Клименко, И.А. Поспишил, Б. |
| citation_txt | Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов / С.В. Кобельский, В.И. Кравченко, А.Л. Квитка, П.П. Ворошко, И.А. Клименко, Б. Поспишил // Проблемы прочности. — 2000. — № 3. — С. 69-75. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Проанализировано напряженное состояние тройника, в котором штуцер расположен по
отношению к оси трубы под углом 90 и 45°, при действии крутящих и изгибающих
моментов, вызывающих кручение и изгиб из плоскости тройника. Показано влияние угла
наклона штуцера на характер изменения компонент тензора напряжений для различных
видов нагружения. По теории прочности удельной потенциальной энергии формоизменения
установлены значения коэффициентов концентрации напряжений для всех рассмотренных
вариантов нагружения.
Проаналізовано напружений стан трійника, в якому штуцер розташовано по
відношенню до осі труби під кутом 90 і 45°, при дії крутильних й згинальних
моментів, що викликають кручення і згин із площини трійника.
Показано вплив кута нахилу штуцера на характер зміни компонент тензора
напружень для різних видів навантажень. По теорії міцності питомої потенціальної
енергії формозміни встановлено значення коефіцієнтів концентрації
напружень для всіх розглянутих варіантів навантаження.
We analyze the stressed state of a pipeline T-junction with the pipe union tilted at an angle of 90 and 45 to the basic pipe under the action of out-of-plane torque and bending moments. Effect of the union tilt angle on the behavior of stress tensor components is studied for various loading modes. For all investigated loading modes we determined stress concentration factors based on the Maxell-More theory of specific potential shape change energy.
|
| first_indexed | 2025-12-02T03:55:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.3
Н апряженное состояние равнопроходны х тройниковы х
соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих
моментов
С. В. К обельски й 3, В. И . К р ав ч ен к о 3, А. Л . К в и т к а 3, П . П . В орош ко3,
И . А. К л и м ен к о 3, Б . П оспи ш и л6
а Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина
6 Фирма Research Consultant, Брно, Чехия
Проанализировано напряженное состояние тройника, в котором штуцер расположен по
отношению к оси трубы под углом 90 и 45°, при действии крутящих и изгибающих
моментов, вызывающих кручение и изгиб из плоскости тройника. Показано влияние угла
наклона штуцера на характер изменения компонент тензора напряжений для различных
видов нагружения. По теории прочности удельной потенциальной энергии формоизменения
установлены значения коэффициентов концентрации напряжений для всех рассмотренных
вариантов нагружения.
Исследование напряженного состояния тройниковых соединений вы
полнено с использованием разработанного в Институте проблем прочности
НАН Украины пакета прикладных программ SPACE [1]. Ранее [2] с позиций
трехмерной теории упругости рассматривалось влияние угла наклона ш ту
цера к оси трубы на напряженное состояние тройникового соединения при
нагружении его внутренним давлением и изгибающими моментами, дейст
вующими в плоскости тройника. Такое нагружение приводит к симметрии
напряженного состояния относительно плоскости Y O Z (рис. 1), что по
зволяло в качестве расчетной геометрической модели выбирать половину
тройникового узла. Однако для оценки работоспособности тройников при
эксплуатации их в составе трубопроводных систем необходимо учитывать
также нагружение крутящими и изгибающими моментами, вызывающими
кручение и изгиб из плоскости тройника. Этот вид нагружения заставляет
усложнять расчетную схему тройникового узла. В качестве таковой для всех
вариантов расчета рассматривалась общая трехмерная схема (рис. 1).
Результаты расчета представлены в основном для внутренней цилинд
рической поверхности тройника. Это обусловлено необходимостью их со
гласования с анализом экстремального напряженного состояния от действия
внутреннего давления, которое достигается на внутренней поверхности тру
бы [2], а также с приведенными в [3] данными экспериментальных иссле
дований.
Рассмотрены два варианта равнопроходных тройниковых соединений, в
которых угол 0 между осями трубы и штуцера составляет соответственно
90 и 45°. В кинематической расчетной схеме тройника предусматривалась
жесткая заделка одного из торцев трубы.
Концентрация напряжений в тройниковых соединениях при действии
заданных нагрузок оценивалась по величинам коэффициентов концентрации
напряжений, определяемым как отношение эквивалентных напряжений, вы
© С. В. КОБЕЛЬСКИЙ, В. И. КРАВЧЕНКО, А. Л. КВИТКА, П. П. ВОРОШКО, И. А. КЛИМЕНКО,
Б. ПОСПИШИЛ, 2000
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, N 3 69
С. В. Кобельский, В. И. Кравченко, А. Л. Квитка и др.
численных по теории прочности удельной потенциальной энергии формо
изменения, к номинальным эквивалентным напряжениям в обычной трубе
при соответствующей нагрузке.
Рис. 1. Нагрузки, действующие на тройниковое соединение.
Номинальные напряжения в трубе от действия изгибающих моментов
M x , M y и крутящих моментов M z вычислялись по формулам
& z nom _ M iR ! J i , & e nom _ V^M z R ! J p ,
где
max 4 max 4 R min
J i = — -— (1- k ), i = x , y ; J p = — -— (1- к ), к = R
R max
Для удобства сопоставления результатов расчетов нагрузки подобраны
так, чтобы номинальные эквивалентные напряжения были равны 100 МПа.
При этом M x = M y = 55130 Н-м , M z = 63680 Н -м , R min = 0,1252 м,
R max = 0,1359 м -
Результаты расчета напряженного состояния тройниковых соединений
при действии указанных нагрузок представлены на рис. 2 -5 в виде графиков
изменения компонент тензора напряжений и эквивалентных напряжений
вдоль внутренней линии A B C D A пересечения трубы и штуцера (рис. 1).
Д ей ст ви е и зги баю щ его м ом ен т а M у2 на т орц е т рубы . Анализ
графиков, приведенных на рис. 2 , показывает, что угол в определяет не
только уровень максимальных эквивалентных напряжений о экв в зоне пере
сечения трубы и штуцера, но и место на линии пересечения, в котором этот
уровень достигается. Наибольшее напряжение о экв = 191 М Па наблюдается
при в = 90o вблизи точек B и D линии пересечения (рис. 2,а). Оно
обусловлено действием вблизи этих точек максимальных осевых напря
жений о z, равных соответственно -1 8 7 и 187 МПа. Окружные о ̂ и
70 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 3
Напряженное состояние равнопроходных тройниковьгх соединений
касательные напряжения здесь незначительны и на уровень макси
мальных эквивалентных напряжений влияния практически не оказывают.
Характерной особенностью напряженного состояния тройникового соеди
нения для угла в = 450 является снижение уровня максимальных напря
жений о экв до 155 М Па (рис. 2,6). Кроме того, в данном случае происходит
смещение вдоль линии пересечения Л Б С Б Л максимума эквивалентных на
пряжений с линии А В на линию В С и с линии Б Л на линию С Б .
115
59
-86
-112
Г~
кВ
А \ / в С 27 А
0,19 0,38 0,57 0,76 0,95
Рис. 2. Распределение напряжений вдоль линии ЛБСБЛ при действии изгибающего момента
М у2 на торце трубы: а - в =900; 6 - в =450.
Д ей ст ви е и зги баю щ его м ом ен т а М у3 на т орц е ш т уцера. Результаты
расчета, представленные на рис. 3, свидетельствуют, что, как и в рас
смотренном выше случае, для угла в = 45о происходит снижение макси
мальных эквивалентных напряжений о экв на линии пересечения трубы и
штуцера. Однако точка, в которой действуют эти напряжения, смещается
вдоль линии пересечения незначительно и не выходит за границу участков
А В и БЛ . М аксимальных значений, равных 623 МПа, напряжения о экв
достигают для в = 90о. Для в = 45о они уменьшаются до 320 МПа. М ак
симум эквивалентных напряжений в данном случае определяется не только
осевыми о 2, но и окружными о у и касательными напряжениями.
Необходимо отметить, что для угла в = 45о наблюдается появление на
участках В С и С Б линии пересечения трубы и штуцера зон, в которых
эквивалентные напряжения возрастают на 43% по сравнению с напря
жениями для прямого тройника. Для в = 45о они увеличиваются и дости
гают 260 МПа.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 3 71
С. В. Кобелъский, В. И. Кравченко, А. Л. Квитка и др.
а
Рис. 3. Распределение напряжений вдоль линии АВСЬА при действии изгибающего момента
Ыуз на торце штуцера: а - в =90°; б - в =45°.
Рис. 4. Распределение напряжений вдоль линии АВСЬА при действии крутящего момента
М 22 на торце трубы: а - в =90°; б - в =45°.
72 ЙХ'Ж 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 3
Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений
Д ей ст ви е крут ящ его м ом ен т а М 22 на т орц е т рубы . На линии пере
сечения трубы и штуцера (рис. 4) имеют место четыре зоны, где напряжения
о экв достигают экстремума. Их максимальная величина определяется осе
выми о г , окружными о <р и касательными г <рг напряжениями. Наибольших
значений, равных 624 МПа, эквивалентные напряжения достигают для пря
мого тройника. Для угла в = 45° наблюдается снижение напряжений о экв на
участках А В и Б А до 478 МПа.
Д ей ст ви е крут ящ его м ом ен т а М 23 на т орц е ш т уцера. Напряженное
состояние тройникового соединения представлено на рис. 5. Из анализа
графиков следует, что эквивалентные напряжения для угла в = 45° воз
растают. М аксимальных значений они достигают на участках А В и Б А
линии пересечения и составляют 757 МПа. Для прямого тройника эти
напряжения равны 531 МПа. Следует отметить, что для угла в = 45° на
участках В С и С Б наблюдается заметное снижение эквивалентных напря
жений. Для в = 90° напряжения о экв = 481 М Па, а для в = 45° они сни
жаются до 276 МПа.
-81
- ш
, / \ к
Л / У ' А \1
№ А **>
VI !
в с ¥ 1 А
0,19 0,38 0,57 0,7В 0,95
Л ' ®экд
Уг ту
\ - в7.X А ' ^
1А\ { Е С V А
О 0 & 0,46 0,69 0,92 1,15
а
Рис. 5. Распределение напряжений вдоль линии АВСБА при действии крутящего момента
М 2 з на торце штуцера: а - в =90°; б - в =45°.
При нагружении тройникового соединения крутящими и изгибающими
моментами наибольшие напряжения могут действовать на его наружной
поверхности, что подтверждается результатами расчета. В табл. 1 представ
лены максимальные эквивалентные напряжения, а также максимальные
теоретические а теор и экспериментальные а эксп [3] коэффициенты кон
центрации напряжений на внутренней и наружной поверхностях прямого
тройника при действии заданных нагрузок. В табл. 2 приведены макси
мальные значения теоретических коэффициентов концентрации напряжений
на внутренней и наружной поверхностях тройника с наклонным штуцером.
0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 3 73
С. В. Кобелъский, В. И. Кравченко, А. Л. Квитка и др.
Т а б л и ц а 1
Сравнение теоретических и экспериментальных коэффициентов концентрации
напряжений для прямого тройника
Нагрузка Линия АБСОА Линия А1Б1С1 ̂ 1А1
э̂кв, МШ а теор а эксп Оэкв. МПа а теор а эксп
Мх 2 304 3,30 2,80 332 3,32 3,54
Мх 3 548 5,96 6,07 479 4,79 4,01
М у2 191 2,07 1,87 187 1,87 2,29
М у3 623 6,77 5,76 703 7,03 7,02
М 2 2 624 6,77 5,14 763 7,63 5,71
М 2 3 531 5,76 5,60 769 7,69 7,71
Т а б л и ц а 2
Значения теоретических коэффициентов концентрации напряжений а теор
в тройнике с наклонным штуцером (в = 450)
На рис. 6 представлено сравнение расчетных и экспериментальных [3]
коэффициентов концентрации напряжений для прямого тройникового со
единения. Видно, что различие между ними не превышает 15%.
Рис. 6. Сравнение экспериментальных (1) и расчетных (2) коэффициентов концентрации
напряжений на линии АБСОА для в =900: а - действие изгибающего момента М у2 на торце
трубы; б - действие изгибающего момента М у3 на торце штуцера.
Таким образом, на основе выполненных исследований установлены
потенциально опасные зоны в местах стыка трубы и штуцера при различных
углах между их осями, а также определены для этих зон коэффициенты
концентрации напряжений. Показано, что для угла в = 450 при нагружении
тройника изгибающими моментами, приложенными на торце трубы, наблю
74 ТББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 3
Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений
дается перераспределение напряжений по линии пересечения трубы и ш ту
цера и снижение на 19% максимальных значений эквивалентных напря
жений и коэффициентов концентрации напряжений. При этом относитель
ный уровень напряжений в тройниковом соединении невысок.
Нагружение прямого тройника изгибающим моментом, приложенным
на торце штуцера, характеризуется высокими значениями эквивалентных
напряжений на линии пересечения трубы и штуцера. Для угла в = 45o эти
напряжения снижаются на 48%. При этом наблюдается значительный рост
(на 52%) напряжений о экв на участках В С и C D линии пересечения.
При нагружении прямого тройника крутящим моментом, приложенным
на торце трубы, также достигается высокий уровень эквивалентных напря
жений. Для угла в = 45° эти напряжения снижаются на 29%. При действии
крутящего момента, приложенного на торце штуцера, имеют место высокие
уровни эквивалентных напряжений, которые для данного угла в на внут
ренней поверхности возрастают на 43%, а на наружной - на 77%.
Р е з ю м е
Проаналізовано напружений стан трійника, в якому штуцер розташовано по
відношенню до осі труби під кутом 90 і 45°, при дії крутильних й зги
нальних моментів, що викликають кручення і згин із площини трійника.
Показано вплив кута нахилу штуцера на характер зміни компонент тензора
напружень для різних видів навантажень. По теорії міцності питомої потен
ціальної енергії формозміни встановлено значення коефіцієнтів концен
трації напружень для всіх розглянутих варіантів навантаження.
1. Р а зр а б о т а т ь информационно-технологическую систему современных
ПЭВМ исследования трехмерных моделей М КЭ термопластических
твердых тел для определения термонапряженного состояния элементов
машиностроительных конструкций при квазистатических воздейст
виях. Отчет о НИР (заключит.) // УкрИНТЭИ; Руковод. П. П. Ворошко.
- № ГР 0193U018813; Инв. № 0294U000746. - Киев, 1993. - 410 с.
2. К обельски й С. В., К равч ен к о В. И., К ви т ка А. Л . и др . Анализ напря
женного состояния равнопроходных тройниковых соединений трубо
проводов. Сообщ. 1 // Пробл. прочности. - 1998. - № 6 . - С. 116 - 123.
3. M o ffa t D . G. Experimental stress analysis o f 4 fabricated equal diameter
branch intersections subjected to mom ent loadings. - Proc. 5th Intern. Conf.
Pressure Vessel Tech. - San Francisco, 1984.
Поступила 11. 05. 99
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 3 75
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46228 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T03:55:17Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кобельский, С.В. Кравченко, В.И. Квитка, А.Л. Ворошко, П.П. Клименко, И.А. Поспишил, Б. 2013-06-28T20:15:06Z 2013-06-28T20:15:06Z 2000 Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов / С.В. Кобельский, В.И. Кравченко, А.Л. Квитка, П.П. Ворошко, И.А. Клименко, Б. Поспишил // Проблемы прочности. — 2000. — № 3. — С. 69-75. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46228 539.3 Проанализировано напряженное состояние тройника, в котором штуцер расположен по отношению к оси трубы под углом 90 и 45°, при действии крутящих и изгибающих моментов, вызывающих кручение и изгиб из плоскости тройника. Показано влияние угла наклона штуцера на характер изменения компонент тензора напряжений для различных видов нагружения. По теории прочности удельной потенциальной энергии формоизменения установлены значения коэффициентов концентрации напряжений для всех рассмотренных вариантов нагружения. Проаналізовано напружений стан трійника, в якому штуцер розташовано по відношенню до осі труби під кутом 90 і 45°, при дії крутильних й згинальних моментів, що викликають кручення і згин із площини трійника. Показано вплив кута нахилу штуцера на характер зміни компонент тензора напружень для різних видів навантажень. По теорії міцності питомої потенціальної енергії формозміни встановлено значення коефіцієнтів концентрації напружень для всіх розглянутих варіантів навантаження. We analyze the stressed state of a pipeline T-junction with the pipe union tilted at an angle of 90 and 45 to the basic pipe under the action of out-of-plane torque and bending moments. Effect of the union tilt angle on the behavior of stress tensor components is studied for various loading modes. For all investigated loading modes we determined stress concentration factors based on the Maxell-More theory of specific potential shape change energy. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов Stressed State of Pipeline T-junctions Subjected to Torque and Bending Moments Article published earlier |
| spellingShingle | Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов Кобельский, С.В. Кравченко, В.И. Квитка, А.Л. Ворошко, П.П. Клименко, И.А. Поспишил, Б. Научно-технический раздел |
| title | Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов |
| title_alt | Stressed State of Pipeline T-junctions Subjected to Torque and Bending Moments |
| title_full | Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов |
| title_fullStr | Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов |
| title_full_unstemmed | Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов |
| title_short | Напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов |
| title_sort | напряженное состояние равнопроходных тройниковых соединений трубопроводов при действии крутящих и изгибающих моментов |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46228 |
| work_keys_str_mv | AT kobelʹskiisv naprâžennoesostoânieravnoprohodnyhtroinikovyhsoedineniitruboprovodovprideistviikrutâŝihiizgibaûŝihmomentov AT kravčenkovi naprâžennoesostoânieravnoprohodnyhtroinikovyhsoedineniitruboprovodovprideistviikrutâŝihiizgibaûŝihmomentov AT kvitkaal naprâžennoesostoânieravnoprohodnyhtroinikovyhsoedineniitruboprovodovprideistviikrutâŝihiizgibaûŝihmomentov AT voroškopp naprâžennoesostoânieravnoprohodnyhtroinikovyhsoedineniitruboprovodovprideistviikrutâŝihiizgibaûŝihmomentov AT klimenkoia naprâžennoesostoânieravnoprohodnyhtroinikovyhsoedineniitruboprovodovprideistviikrutâŝihiizgibaûŝihmomentov AT pospišilb naprâžennoesostoânieravnoprohodnyhtroinikovyhsoedineniitruboprovodovprideistviikrutâŝihiizgibaûŝihmomentov AT kobelʹskiisv stressedstateofpipelinetjunctionssubjectedtotorqueandbendingmoments AT kravčenkovi stressedstateofpipelinetjunctionssubjectedtotorqueandbendingmoments AT kvitkaal stressedstateofpipelinetjunctionssubjectedtotorqueandbendingmoments AT voroškopp stressedstateofpipelinetjunctionssubjectedtotorqueandbendingmoments AT klimenkoia stressedstateofpipelinetjunctionssubjectedtotorqueandbendingmoments AT pospišilb stressedstateofpipelinetjunctionssubjectedtotorqueandbendingmoments |