Вам когда-нибудь приходилось моделировать болтовые соединения в сборке, нагруженной внутренним давлением? Рассмотрим простой пример (рисунок 1). На нем показано фланцевое соединение двух труб, на которые действует давление изнутри. Основная цель болтового соединения в таком случае – поддержание целостности стыка и предотвращение утечек в соединении. Для этого проводят предварительную затяжку болтов, благодаря которой фланцы плотно прижимаются друг к другу.

Для моделирования физически правильного поведения на соприкасающихся поверхностях фланцев задаются контактные пары, предотвращающие взаимопроникновение тел. Область контакта между фланцами показана на рисунке 2. При этом используется тип контакта Frictional (контакт с трением).

Все хорошо, пока не появляется давление на внутренние стенки труб – оно может привести к раскрытию фланцевого соединения и появлению зазора. На рисунке 3 приведено распределение радиальных перемещений. При этом картина деформирования показана в увеличенном масштабе для лучшего восприятия.

Для обеспечения герметичности стыка необходимо приложить достаточное усилие затяжки. Проверить, является ли приложенная нагрузка достаточной, можно по результатам на контактных элементах. В первую очередь можно вывести статус контакта и значение зазора на различных участках межфланцевого соединения. Это поможет определить оптимальное место для добавления уплотнительного кольца, если оно необходимо. На рисунке 4 показано состояние контакта (contact status) между фланцами, при этом используется инструмент «symmetry expansion» для отображения всего соединения (хотя расчёт проведен только для одного сектора). Обратите внимание, что непрерывность красной зоны (в ней статус контакта – «closed», без зазора) означает, что утечки при текущих условиях не будет.

Однако не стоит делать поспешных выводов! Постановка задачи, в которой получены приведенные выше результаты, не учитывает важного фактора. При возникновении зазора между фланцами с внутренней стороны трубы к разомкнутым поверхностям фланца должно быть приложено давление. При реализации именно такого поведения модели возникает ряд трудностей:

• изначально величина зазора и область зазора неизвестны, и до получения первых результатов не понятно, куда прикладывать давление;
• приложение давления в зоне контакта приводит к изменению нагрузки на модель, что, в свою очередь, влияет на статус контакта. Значит, задачу снова надо пересчитывать.

На помощь приходит тот факт, что некоторые программы для конечноэлементых расчётов, такие как ANSYS, позволяют прикладывать давление непосредственно на грани контактных элементов. Если контактные элементы находятся в «закрытом» состоянии, то приложенное давление просто игнорируется. Так происходит, пока статус контакта не поменяется на «открытый», после чего давление активируется. При этом поле распределения давлений в межфланцевом пространстве будет обновляться на каждом шаге расчета при сопутствующей оценке состояния контакта. Получается, что давление может постепенно «проникать» вглубь стыка по мере роста зазора.

Такая постановка задачи обеспечивает существенно более достоверную оценку конструкции. Чтобы понять, насколько критичным может быть влияние данного фактора, на рисунке 5 показано состояние контакта для исходной модели с учетом давления в зазоре и без него. Учет дополнительного давления приводит к появлению зазора между соседними болтами – появляется утечка. Отсюда вывод: для обеспечения герметичности рассматриваемого соединения потребуется либо усиление затяжки болтов, либо увеличение их числа.

Раз мы убедились, что учитывать давление необходимо, нужно разобраться с тем, как это реализовать. Первый шаг – понять, поддерживает ли используемая вами программа такой функционал. Если приложение давления непосредственно к контактным элементам возможно, то следующий шаг – задание симметричного контакта. Использование несимметричной контактной пары приведет к добавлению давления только на одну поверхность.

Классический интерфейс ANSYS (MAPDL) позволяет непосредственно выбрать контактные элементы и приложить к ним давление. При работе в ANSYS Mechanical потребуется создать выборки (Named Selection) с двумя наборами граней, по которым происходит контакт. Затем с помощью командной вставки выборка из граней будет конвертирована в выборку элементов, к которым будет приложено давление [примечание переводчика: в актуальных версиях ANSYS можно упростить команды, создав выборки элементов непосредственно в интефейсе Mechanical, но описанный ниже подход также работает]. Необходимые команды показаны на рисунке 6.

Думаю, все согласятся с тем, что разбираться с разгерметизацией фланцевого соединения будет лучше, проще и дешевле на этапе проектирования, а не в реальной жизни в полевых условиях. Надеюсь, данная публикация позволит вам чувствовать себя сухо и комфортно.

Источник: ansys.soften.com.ua