В статье представлены результаты расчётных исследований прочности металлической рамной конструкции для крепления гидрометрических вертушек при проведении замеров скоростей потока в проточном тракте гидроагрегатов. Выполнены расчётные исследования напряжённо-деформированного состояния рамы с учётом гидродинамического давления на несущие элементы рамы.
Ключевые слова: металлическая рамная конструкция, гидродинамический расчёт, НДС, конечно-элементная модель, расчет прочности.
Целью работы являлось проведение расчётных исследований прочности металлической рамной конструкции для крепления гидрометрических вертушек при проведении замеров скоростей потока в проточном тракте гидроагрегатов.
Рама, предназначенная для крепления гидрометрических вертушек, измеряющих скорости потока, имеет размеры 12,450 х 3,628 м. Конструктивно рама устанавливается перед входными отверстиями гидроагрегатов в пазы затвора. Пространственная модель рамы показана на рис. 1.
Исследования величин гидродинамических нагрузок от потока производились на численных моделях и выполнялись с помощью программного обеспечения предназначенного для вычислительной гидродинамики общего назначения (CFD — computational fluid dynamics). В программных комплексах используются специально разработанные численные методы для решения уравнений движения жидкости [1–4].
Рис. 1. Пространственная модель рамной конструкции
Конечно-элементная модель рамы для определения величин воздействия потока представлена на рис. 2а. Конечно-элементная сетка состоит из 663 029 конечных элементов и 98 612 узлов. Граничные условия для задания гидродинамики представлены на рис. 2б.
а)б)
Рис. 2. Объёмная модель водопроводящего тракта для решения задачи гидродинамики: а) конечно-элементная сетка, б) граничные условия входа и выхода потока
Граничные условия входа потока были заданы как скорость течения. Скорость течения на входе принималась средней 3 м/с. Граничные условия на выходе потока задавались как свободный излив.
Результаты расчёта в виде линий движения потока и его скоростей по горизонтальному сечению, проведённому по середине представлены на рис. 3.
Рис. 3. Направление и скорости потока, м/с
Распределение величин давлений на рамную конструкцию представлено на рис. 4.
Рис. 4. Распределение гидродинамических давлений, Па
Расчёты напряжённо-деформированного состояния металлических конструкций выполнены с учётом гидродинамического давления, рассчитанного в предыдущей главе.
Расчётная модель показана на рис. 5.
Рис. 5. Конечно-элементная модель рамы
Конечно-элементная модель состоит из объёмных конечных элементов типа solid186. Конечно-элементная сетка состоит из 570 634 конечных элементов и 276 053 узлов. Моделирование элементов металлических конструкций выполнено с учётом реальной толщины и размеров. На рис. 6 показаны суммарные перемещения, возникающие вовремя установки рамы.
Рис. 6. Суммарные перемещения, мм
Как видно из рис. 6 максимальные перемещения составляют 22 мм и приходятся на центральную часть рамы и вертикальную связь.
На рис. 7 представлены эквивалентные напряжения в металлических конструкциях рамы.
Рис. 7. Эквивалентные напряжения, Мпа
Как видно из рис. 7 максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в металлических конструкции рамы, составляют 175,53 МПа. Металлические конструкции выполнены из стали марки Ст3 (Ст3сп). Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества
При расчетах общей прочности, а также местной прочности отдельных элементов должно соблюдаться следующее условие, обеспечивающее недопущение наступления предельных состояний:
Расчётное значение сопротивления труб:
Максимальные эквивалентные напряжения составляют 175,53 МПа.
Проверка условия прочности:
Условие прочности удовлетворяется.
Результаты расчетов подтверждают прочность конструкции рамы.
Выводы
Для проведения расчета прочности рамной конструкции были разработаны пространственные модели рамы и фрагмента водопроводящего тракта. Расчётные исследования гидродинамики потока позволили определить расчётные скорости потока в сечении, которые достигают до 3 м/с. В результате гидродинамических расчётов была установлена скорость потока в сечении, где установлена рама, и определены гидродинамические давления на несущие конструкции рамы для последующих расчётов напряженно-деформированного состояния. Анализ напряженно-деформированного состояния рамы с учётом гидродинамического давления на несущие элементы показал, что прочность элементов обеспечена с запасом в соответствии с нормативными документами. Таким образом, проведённые расчётные исследования подтвердили прочность рамной конструкции для крепления гидрометрических вертушек. Важно отметить, что при сборке конструкции необходимо уделить особое внимание качеству сварных швов, чтобы обеспечить необходимую прочность всей конструкции.
Литература:
- Gajbhiye, Bhavesh & Kulkarni, Harshawardhan & Tiwari, Shashank & Mathpati, Channamallikarjun & Mathpati, Channamallikarjun. (2020). Teaching turbulent flow through pipe fittings using computational fluid dynamics approach. Engineering Reports. 2. 10.1002/eng2.12093.
- Liu, Chuntong & Tian, Yimei & Zhang, Rufang & Liu, Xingfei & Guo, Hao & Song, Yarong & Peng, Sen. (2018). Corrosion of Ductile Cast Iron Pipeline in a Water Supply Network Based on the Flow Field Changing. 9110–9130.
- Hasan Ghafori, Computational fluid dynamics (CFD) analysis of pipeline in the food pellets cooling system, Journal of Stored Products Research, Volume 87, 2020, 101581, ISSN 0022–474X, https://doi.org/10.1016/j.jspr.2020.101581.
- Almawla, Atheer & Kamel, Ammar & Lateef, Assim. (2021). Modelling of Flow Patterns over Spillway with CFD (Case Study: Haditha Dam in Iraq). International Journal of Design & Nature and Ecodynamics. 16. 373–385. 10.18280/ijdne.160404.
