Details

В работе разработана методика цифрового моделирования контактного взаимодействия металлической мембраны с ограничительным диском в мембранном компрессоре сверхвысокого давления. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения точности расчета напряженно деформированного состояния мембраны и обоснования профиля ограничительного диска по критериям статической и циклической прочности. В качестве методической основы использованы теоретические положения механики деформируемого твердого тела, контактной механики и метод конечных элементов. Выполнено параметрическое конечно элементное моделирование мембранного блока с явным учетом контактной пары мембрана и ограничительный диск. На основе расчетов свободного прогиба и анализа напряженного состояния разработана двухэтапная инженерная методика определения профиля ограничительного диска. На первом этапе по критерию допускаемых напряжений определено максимальное рабочее давление и построен базовый профиль диска как огибающая поля прогибов мембраны. На втором этапе выполнен явный динамический расчет, позволивший оценить влияние предварительного обжатия и нестационарного характера рабочего давления на напряженно деформированное состояние мембраны. Установлено, что динамические эффекты приводят к кратковременному росту напряжений относительно статического уровня, что требует уточнения расчетной оценки максимальных напряжений. Результаты работы подтверждены сопоставлением расчетных данных с экспериментальными результатами и аналитическими решениями теории больших прогибов пластин. Предложенная методика может быть использована при проектировании мембранных компрессоров сверхвысокого давления для повышения ресурса мембран и надежности компрессорных установок.

The thesis addresses the development of a digital simulation methodology for contact interaction between a metallic diaphragm and a limiting disc in an ultrahighpressure diaphragm compressor. The relevance of the study is determined by the need to improve the accuracy of stress-strain state assessment and to substantiate the limiting disc profile based on static and fatigue strength criteria. The research is based on the principles of solid mechanics, contact mechanics, and the finite element method. A parametric finite element model of the diaphragm assembly was developed with explicit representation of the diaphragm–limiting disc contact pair. Based on free-deflection simulations and stress analysis, a two-stage engineering procedure for limiting disc profile design was proposed. At the first stage, the maximum operating pressure was determined according to the allowable stress criterion, and a baseline limiting disc profile was generated as the envelope of the diaphragm deflection field. At the second stage, an explicit dynamic analysis was performed to evaluate the influence of diaphragm precompression and transient operating pressure on the stress-strain state of the diaphragm. The results demonstrated that dynamic effects produce short-term stress increases relative to the static solution and therefore require refinement of the maximum stress assessment. The developed methodology was verified against analytical solutions for largedeflection plate theory and validated using published experimental data on metallic diaphragm deflection. The proposed approach can be applied to the design of ultra-high-pressure diaphragm compressors to improve diaphragm service life and operational reliability.

• РЕФЕРАТ
• ABSTRACT
• СОДЕРЖАНИЕ
• Обозначения и сокращения
• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МЕМБРАННЫХ КОМПРЕССОРОВ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
  • 1.1. Особенности конструкции и эксплуатации мембранных компрессоров сверхвысокого давления
  • 1.2. Аналитические методы расчета профиля ограничительного диска и их ограничения
  • 1.3. Численное моделирование НДС и контактного взаимодействия в мембранном блоке
  • 1.4. Динамические эффекты, тепловой режим и экспериментальная верификация моделей
  • 1.5. Методы численного решения контактных задач и постановка диссертационного исследования
  • 1.6. Выводы по главе 1
• ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ОГРАНИЧИТЕЛЬНОГО ДИСКА
  • 2.1. Общая схема и исходные положения методики
    • 2.1.1. Обоснование допускаемых напряжений
  • 2.2. Конечно-элементное моделирование мембранного блока
    • 2.2.1. Осесимметричная постановка задач контакта и свободного прогиба и их ограничения
    • 2.2.2. Трехмерная модель одиночной мембраны
    • 2.2.3. Оценка достоверности КЭ-модели
  • 2.3. Алгоритм определения профиля ограничительного диска по критериям прочности и циклической долговечности
    • 2.3.1. Назначение допускаемых напряжений
    • 2.3.2. Построение профиля диска по полю перемещений
  • 2.4. Апробация методики на характерных ступенях мембранного компрессора сверхвысокого давления
    • 2.4.1. Исходные данные и результаты расчета профилей трех ступеней
    • 2.4.2. Анализ влияния геометрических и материальных параметров мембраны на ее прогиб
  • 2.5. Выводы по главе 2
• ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕМБРАНЫ И УТОЧНЕНИЕ ПРОФИЛЯ ОГРАНИЧИТЕЛЬНОГО ДИСКА
  • 3.1. Влияние усилия затяжки болтов на напряженно-деформированное состояние мембраны
  • 3.2. Анализ напряжений при динамическом нагружении
  • 3.3. Оценка влияния температуры на напряженно-деформированное состояние и прочность мембраны
    • 3.3.1. Обоснование актуальности учета теплового воздействия
    • 3.3.2. Расчетный диапазон температур и температурная зависимость свойств материалов
    • 3.3.3. Аналитическая оценка термических напряжений
    • 3.3.4. Условия корректности статической методики определения профиля ограничительного диска
    • 3.3.5. Рекомендации по снижению термических напряжений и ограничения предложенного подхода
  • 3.4. Выводы
• ГЛАВА 4. Оценка связанности конечно-элементной модели мембранного блока и модели кривошипно-шатунного механизма
  • 4.1. Обоснование необходимости оценки связанности моделей
  • 4.2. Общий параметр моделей
  • 4.3. Анализ чувствительности модели КШМ к параметру k_eq
  • 4.4. Подтверждение связанности моделей
  • 4.5. Выводы по главе 4
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЕ 1