Конечно-элементное моделирование и исследование технологии вальцовки труб

1.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Магистерская работа
по направлению 553300 «Прикладная механика»
Конечно-элементное моделирование и исследование технологии вальцовки труб
в коллекторе парогенератора ПГВ-1000
Выполнил студент группы 6055/12
Руководитель, д. т. н., профессор
Соруководитель, ассистент
Санкт-Петербург
2013 год
Зегжда А.С.
Боровков А.И.
Модестов В.С.
1

2. Содержание работы

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Содержание работы
• Общая информация об устройстве коллектора парогенератора ПГВ1000 и проблемах, возникающих в результате его эксплуатации.
Краткий обзор методов вальцовки трубок
• Решение модельной задачи о радиальном деформировании трубы
в бесконечном упругом пространстве
• Отыскание остаточных деформаций для различных моделей
вальцовки одной или нескольких трубок змеевиков в коллекторе
парогенератора
• Разработка модели вальцовки коллектора парогенератора и
исследование его пространственного напряженнодеформированного состояния
2

3. Коллектор парогенератора ПГВ-1000

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Коллектор парогенератора ПГВ-1000
Макет парогенератора ПГВ-1000
Схема горизонтального
парогенератора ПГВ-1000М
В коллекторе развальцовано 11500 теплопередающих трубок*
*Лукасевич Б.И., Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г., «Парогенераторы реакторных
установок ВВЭР для атомных электростанций» - М.: ИКЦ "Академкнига", 2004
3

4. Технологии вальцовки

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Технологии вальцовки
Механическая (роликовая)
Гидравлическая
• Вальцовка взрывом
4

5. Конечно-элементная постановка модельной задачи о радиальном деформировании трубы в бесконечном упругом пространстве

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Конечно-элементная постановка модельной задачи
о радиальном деформировании трубы в
бесконечном упругом пространстве
Постановка задачи
Конечно-элементная модель
Граничные
условия:
x=0: Uy = 0
Y
y=0: Ux =0
X
a=6,725 мм b=8,125 мм d=0,005 мм
На AС приложено P=48 МПа
Материал: сталь 08Х18Н10Т
Коэффициент Пуассона: 0,3
Модуль Юнга: 2.05E11 Па
NE=8320
NN=15493 NDF=15493
Тип конечных элементов:
Плоский 8 узловой элемент (Plane 82)
Контактное взаимодействие
моделируется при помощи элементов
5
Contact 174 и Target 170

6. Результат решения модельной задачи о радиальном деформировании трубы в бесконечном упругом пространстве

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения модельной задачи о
радиальном деформировании трубы в
бесконечном упругом пространстве
График распределения σr
Контактное давление:
Ansys,
Аналитическое*,МПА
Отклонение,
МПА
%
12,97
13,02
0.3
**
A
C
График распределения σθ
А
C
* Лурье А. И., «Теория
упругости» - М.: Наука,
1970.
6
A
C
B

7.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Выбор давления вальцевания. Модель
эквивалентной втулки
Dэ=d0+2α(t-d0)*
Условия нагружения:
Давление P плавно прикладывается
от 0 до максимального давления
вальцевания. Далее давление
плавно снимается.
Граничные условия:
x=0: Uy = 0
y=0: Ux =0
*Ткаченко Г. П., Бриф В. М. Изготовление и ремонт кожухотрубчатой теплообменной аппаратуры7

8.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Зависимость радиальной деформации коллектора и трубки в
процессе вальцевания
Давление вальцевания, МПа
250,00
B(точка К)
200,00
(точка
K’)
150,00
100,00
50,00
A
0,00
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
Деформация, мм
8

9.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Построение модели коллектора
9

10. Конечно-элементная постановка задачи о развальцовке трубки в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Конечно-элементная постановка задачи о
развальцовке трубки в секторе модели коллектора
Постановка задачи
Конечно-элементная модель
Граничные
условия:
θ=0° : Uθ=0
95мм
θ=15° : Uθ=0
Y
NE=3796
NN=17800
z=0: Uz =0
0,125мм
P
z
r θ
15°
X
1,5мм
6,5мм
Давление гидровальцовки P 500МПа
Материалы:
Трубка сталь 08Х18Н10Т
Коэффициент Пуассона: 0,3; Модуль Юнга: 2.05E11 Па;
Предел текучести: 216 МПа; Предел прочности: 510 МПА
Коллектор сталь 10ГН2МФА-Ш
Коэффициент Пуассона: 0,3; Модуль Юнга: 2.10E11 Па
Предел текучести: 343 МПа; Предел прочности: 540 МПА
Тип конечных элементов:
Объемный 20 узловой элемент (Solid 186)
Контактное взаимодействие моделируется при помощи
элементов Contact 174 и Target 170
Коэффициент ослабления для перфорированной
зоны: 0,136*
*Григолюк, Э.И., Фильштинский, Л.А.,
«Перфорированные пластины и оболочки»
– М., 1970.
10

11. Результат решения задачи о развальцовке трубки в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения задачи о развальцовке трубки в
секторе модели коллектора
График распределения давления на трубку от
деформации точки K
600
Давление, МПа
500
400
300
K
B
200
100
*
*
B
A
0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Деформация, мм
11

12. Результат решения задачи о развальцовке трубки в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения задачи о развальцовке
трубки в секторе модели коллектора
Деформация между ячейками (K*)
3,50E-05
Деформация Z, м
3,00E-05
2,50E-05
2,00E-05
K*
1,50E-05
1,00E-05
**
5,00E-06
0,00E+00
0
5
10
15
20
25
30
35
Шаг, №
Давление на внутренней поверхности трубки
B
250
Давление, МПа
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
Шаг, №
25
30
35
12

13. Результат решения задачи о развальцовке трубки в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения задачи о развальцовке
трубки в секторе модели коллектора
Деформация вдоль ячеек (K*)
1,70E-05
Деформация, м
1,65E-05
1,60E-05
1,55E-05
K*
1,50E-05
1,45E-05
1,40E-05
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
R-R0, мм
K
B
Деформация вдоль контакта трубки и коллектора (K)
9,00E-06
8,00E-06
Деформация, м
7,00E-06
6,00E-06
5,00E-06
4,00E-06
3,00E-06
2,00E-06
1,00E-06
0,00E+00
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
R-R0, мм
0,12
0,14
0,16
0,18
13

14. Конечно-элементная постановка задачи о развальцовке трубок в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Конечно-элементная постановка задачи о
развальцовке трубок в секторе модели коллектора
Конечно-элементная модель
NE=9256
NN=35995
Тип конечных элементов:
Объемный 20 узловой элемент (Solid 186)
Давление гидровальцовки P 200МПа
Материалы:
Трубка сталь 08Х18Н10Т
Коэффициент Пуассона: 0,3; Модуль Юнга: 2.05E11 Па;
Предел текучести: 216 МПа; Предел прочности: 510 МПА
Коллектор сталь 10ГН2МФА-Ш
Коэффициент Пуассона: 0,3; Модуль Юнга: 2.10E11 Па
Предел текучести: 343 МПа; Предел прочности: 540 МПА
Контактное взаимодействие моделируется при помощи
элементов Contact 174 и Target 170
Коэффициент ослабления для перфорированной
зоны: 0,136*
*Григолюк, Э.И., Фильштинский, Л.А.,
«Перфорированные пластины и оболочки»
– М., 1970.
14

15. Результат решения задачи о развальцовке трубок в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения задачи о развальцовке трубок в
секторе модели коллектора
Деформация вдоль ячеек
5,00E-05
4,50E-05
Деформация, м
4,00E-05
3,50E-05
3,00E-05
2,50E-05
2,00E-05
1,50E-05
1,00E-05
5,00E-06
0,00E+00
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
K*
0,18
R-R0, мм
K
Деформация вдоль контакта трубы и коллектора
5,00E-05
4,50E-05
Деформация, м
4,00E-05
3,50E-05
3,00E-05
2,50E-05
2,00E-05
1,50E-05
1,00E-05
5,00E-06
0,00E+00
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
R-R0, мм
0,12
0,14
0,16
0,18
15

16. Результат решения задачи о развальцовке трубки в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения задачи о развальцовке
трубки в секторе модели коллектора
Деформация между трубкой и коллектором
4,00E-05
Деформация Z, м
3,50E-05
3,00E-05
2,50E-05
2,00E-05
1,50E-05
*
1,00E-05
5,00E-06
K*
0,00E+00
0
10
20
30
40
50
60
70
Шаг, №
*
Давление на внутренней поверхности трубок
250
Давление, МПа
200
150
100
50
0
0
10
20
30
40
Шаг, №
50
60
70
16

17. Конечно-элементная постановка задачи о развальцовке трубок в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Конечно-элементная постановка задачи о
развальцовке трубок в секторе модели коллектора
Конечно-элементная модель
NE=47544
NN=49980
Тип конечных элементов:
Объемный 20 узловой элемент (Solid 186)
Давление гидровальцовки P 200МПа
Материалы:
Трубка сталь 08Х18Н10Т
Коэффициент Пуассона: 0,3; Модуль Юнга: 2.05E11 Па;
Предел текучести: 216 МПа; Предел прочности: 510 МПА
Коллектор сталь 10ГН2МФА-Ш
Коэффициент Пуассона: 0,3; Модуль Юнга: 2.10E11 Па
Предел текучести: 343 МПа; Предел прочности: 540 МПА
Контактное взаимодействие моделируется при помощи
элементов Contact 174 и Target 170
Коэффициент ослабления для перфорированной
зоны: 0,136*
*Григолюк, Э.И., Фильштинский, Л.А.,
«Перфорированные пластины и оболочки»
– М., 1970.
17

18. Результат решения задачи о развальцовке трубок в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения задачи о развальцовке трубок в
секторе модели коллектора
Деформация вдоль ячеек
5,00E-05
4,50E-05
Деформация, м
4,00E-05
3,50E-05
3,00E-05
2,50E-05
2,00E-05
K*
1,50E-05
1,00E-05
5,00E-06
0,00E+00
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
R-R0, мм
K
Остаточные деформации
коллектора
Деформация вдоль контакта трубы и коллектора
5,00E-05
4,50E-05
Деформация, м
4,00E-05
3,50E-05
3,00E-05
2,50E-05
2,00E-05
1,50E-05
1,00E-05
5,00E-06
0,00E+00
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
R-R0, мм
0,12
0,14
0,16
0,18
18

19. Результат решения задачи о развальцовке трубки в секторе модели коллектора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения задачи о развальцовке
трубки в секторе модели коллектора
Деформация между ячейками
4,00E-05
Деформация Z, м
3,50E-05
3,00E-05
2,50E-05
2,00E-05
1,50E-05
1,00E-05
5,00E-06
K*
0,00E+00
0
20
40
60
80
100
120
Шаг, №
K
Давление на внутренней поверхности трубки
B
250
Давление, МПа
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
Шаг, №
19

20. Сравнение результатов вальцовки различных моделей

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Сравнение результатов вальцовки
различных моделей
Количество
Деформация между
Деформация между
моделируемых трубок
трубкой и коллектором,
ячейками коллектора,
в секторе
мм
мм
1х1
0,058
0,0147
3х3
0,0175
0,02
5х5
0,0168
0,0192
20

21. Сравнение результатов вальцовки различных моделей

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Сравнение результатов вальцовки
различных моделей
Деформация между ячейками
3,50E-02
Количество
Деформация между
моделируемых трубок
ячейками коллектора, мм
Деформация Z, мм
3,00E-02
2,50E-02
2,00E-02
в секторе, мм
1,50E-02
1,00E-02
5,00E-03
0,00E+00
0
5
10
15
20
25
30
35
1х1
0,0147
3х3
0,00513
5х5
0,00478
Шаг, №
Деформация между ячейками
0,025
Деформация Z, мм
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Шаг, №
Деформация между ячейками
0,025
Деформация Z, мм
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
10
20
30
Шаг, №
40
50
60
21

22. Конечно-элементная постановка задачи об отыскании остаточных деформаций в коллекторе парогенератора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Конечно-элементная постановка задачи об
отыскании остаточных деформаций в коллекторе
парогенератора
Конечно-элементная модель
NE=7878
Граничные условия:
NN=87900
Запрет перемещений в зоне сварного
шва
Начальные условия:
Заданы перемещения узлов элементов
из перфорированной зоны.
Uz=(Uz-Uz0)*0.01901/0.019+ Uz0
Материалы:
Коллектор сталь 10ГН2МФА-Ш
Коэффициент Пуассона: 0,3; Модуль Юнга: 2.10E11 Па
Предел текучести: 343 МПа; Предел прочности: 540 МПА
Тип конечных элементов:
Объемный 20 узловой элемент (Solid 186)
22

23. Результат решения задачи об отыскании остаточных деформаций в коллекторе парогенератора

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Результат решения задачи об отыскании
остаточных деформаций в коллекторе
парогенератора
Ansys, мм
Фактическое*,мм
Отклонение
,%
2,95
3 (3-4)
1,66
мм
*Махутов Н.А., Фролов К.В., Драгунов Ю.Г. и др. Несущая способность парогенераторов водоводяных энергетических реакторов. - М.: Наука, 2003. - 440 с.
23

24. Заключение

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Заключение
• Проведено сравнение результатов решения задачи о радиальном
деформировании трубы в бесконечно-упругом пространстве полученных
при помощи МКЭ и аналитически.
• Создана модель развальцовки и проведен расчет. Проведен анализ
зависимости давления вальцевания и остаточных деформаций. Сделан
выбор давления вальцевания, удовлетворяющий необходимым
критериям.
• Проведен расчет деформаций с учетом различного количества соседних
соединений.
• Получено обоснование давления вальцевания на основе сравнения
деформаций.
• Построена картина остаточных деформаций для перфорированного
коллектора
24

25. Спасибо за внимание!

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Институт прикладной математики и механики
Кафедра
«Механика и процессы управления»
Спасибо за внимание!
25