Проектирование конструкций с учётом термомеханической усталости

Проектирование конструкций с учётом термомеханической усталости

Развитие промышленности требует уменьшения массы и размера конструкций наряду с увеличением их эффективности. Перед инженерами эти тенденции предстают в следующем виде: «Вы уже получили информацию об увеличении температурных нагрузок и уменьшении размера детали? Нет? Что ж, Вам придётся её учесть».

Сложность заключается в том, что вследствие такого явления как термомеханическая усталость (TMF – thermal-mechanical fatigue), эти нагрузки влияют на долговечность конструкции. Проектирование деталей меньшего размера становится непростой задачей даже при сохранении прежних значений нагрузок, не говоря уже об их увеличении.

 

ANSYS | Тепловой расчет выхлопного коллектора

 

К сожалению, вы не можете противиться новым требованиям к современным конструкциям, так как эти тенденции поддерживаются многочисленными отраслями промышленности. Например, электронная промышленность выпускает продукты все меньших и меньших размеров, при этом их удельная мощность постоянно увеличивается. В транспортной отрасли повышают эффективность турбонагнетателей одновременно со снижением их веса.

К счастью, инструменты для физического моделирования могут сыграть определяющую роль и ускорить процесс разработки и испытания конструкций, подверженных термомеханической усталости. ANSYS предлагает высокоточные инструменты, которые позволяют рассчитывать различные физические процессы, определяющие накопление усталостных повреждений с учётом тепловых нагрузок.

Давайте копнем глубже и поговорим о теплоэнергетике, в которой наметился переход к теплоэлектростанциям на ультра-сверхкритических параметрах пара (USC – ultra-supercritical). Эти электростанции были разработаны, как вы понимаете, для увеличения производительности и сокращения загрязняющих окружающую среду выбросов.

 

ANSYS | Распределение напряжений в выхлопном коллекторе

 

В документе Международного энергетического агентства (IEA – International Energy Agency) под названием «Technology Roadmap: High-Efficiency, Low Emissions Coal-Fired Power Generation» (Стратегия развития технологий: высокая эффективность и низкие выбросы угольной энергетики) идет речь о новых энергоблоках, которые должны работать при максимальной температуре пара свыше 700°С (1290°F). Вдобавок к этому, ожидается, что данные энергоблоки будут способны работать с существенно переменным коэффициентом нагрузки, что обусловлено повышенной долей возобновляемой энергии в современных энергосистемах. Из вышеизложенного следует, что новые энергоблоки будут подвержены повышенному риску термомеханической усталости.

В своей диссертации «Metallurgical Effects on Long-Term Creep Rupture in a New Nickel-based Alloy» (Влияние металлургических параметров на сопротивление ползучести нового сплава на основе никеля) Джон Шингледекер (John Shingledecker) показывает, что обычные сплавы не способны удовлетворить современным требованиям к конструкции. Для удовлетворения прочностных требований к конструкции в её критических зонах необходимо использовать жаропрочные сплавы, в частности, на основе никеля. К сожалению, стоимость таких сплавов на порядок выше традиционных.

Задача, которая стоит перед инженерами, проектирующими такие объекты как котлы, турбины, клапаны и трубопроводы, – минимизировать использование этих дорогих материалов без снижения функциональных параметров этого оборудования на режиме нормальной эксплуатации. Инженерам также необходимо определить, как оборудование будет реагировать на события, которые выходят за рамки номинальных режимов: процессы запуска и останова, нарушения нормальных условий эксплуатации, аварийные режимы и пр.

Расчет в ANSYS позволяет с высокой точностью получать распределения температур с учетом всех возможных механизмов теплопереноса. Например, с помощью модуля вычислительной гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics) можно провести детализированный анализ сопряженного теплопереноса, в котором будут учтены все возможные явления, характерные для движения жидкости и теплообмена. Также можно использовать модели для расчёта процессов горения, турбулентности, течения многофазных потоков, излучения и много другого.

Альтернативным вариантом является проведение упрощённого теплового расчёта в ANSYS Mechanical. В этом случае вы не решаете задачу о течении жидкой среды. Вместо этого вы учитываете коэффициенты теплопередачи на границе жидкости и твёрдого тела. Для увеличения точности такого расчёта можно использовать CFD-расчёт для получения коэффициентов теплопередачи.

Полученное в результате описанных выше расчётов нестационарное поле температур затем импортируется в прочностной расчёт, и вы получаете полную картину поведения конструкции под действием температурных и механических нагрузок.

Для определения зон, в которых начинают развиваться локальные повреждения, и для определения срока эксплуатации объекта используются распределения напряжений и относительных деформаций (подобно показанным на рисунках 1 и 2), вычисленные для набора типовых циклов.

 

ANSYS | Алгоритм расчёта термомеханической усталости с помощью ANSYS

 

Продукты ANSYS представляют собой высокоточное и оптимизированное решение для расчёта термомеханической усталости, используемое в различных отраслевых сегментах для разработки инновационных проектов с применением новых материалов при жестких условиях и в сжатые сроки. Если вы хотите узнать больше об этих расчётах, ознакомьтесь с данной статьёй.

Источник: ansys.soften.com.ua


Печать   E-mail