Остаточные напряжения и деформации в трубе после предварительного изгиба и локального нагрева

Abstract

RU: Элементы конструкций из гнутых стальных труб широко применяются в химической, аэрокосмической отраслях, в гражданском строительстве, при строительстве трубопроводов и в коммунальных сетях. Для изгиба труб обычно используются промышленные гибочные установки. Однако, при больших диаметрах труб и больших толщинах использовать такие установки не удается. Кроме того, эти установки являются дорогостоящими и их использование для изгиба труб в небольшом объеме не рационально. В силу этого актуальной является задача анализа эффективности более простых способов изгиба труб, таких как, например, при совместном действии изгибающего момента и локального нагрева. Таким образом, цель статьи заключается в построении модели, позволяющей проводить анализ изгиба локально нагретой трубы большого диаметра при нагружении ее изгибающим моментом. Методика исследования основана на построении модели изгиба труб под действием изгибающего момента и локального нагрева по заданной области с помощью метода конечных элементов. С помощью программного комплекса ABAQUS в результате построена конечно–элементная модель деформации локально нагретой трубы при нагружении ее изгибающим моментом. Механическое поведение материала трубы описывалось теорией идеально–пластического течения с пределом текучести зависящим от температуры. Научная новизна заключается в том, что построенная модель позволяет по заданной программе термосилового нагружения определить остаточное состояние труб заданных геометрических размеров. Построенная модель имеет практическое значение в области инженерных расчетов, которые могут быть в свою очередь использованы непосредственно при изготовлении строительных конструкций, включающих гнутые трубы большого диаметра. Она позволяет выбрать оптимальную конфигурацию нагреваемой области и режим нагружения для достижения необходимого изгиба трубы при выполнении ограничений на изменение толщины стенки и овализацию поперечного сечения.

UK: Елементи конструкцій з гнутих сталевих труб широко застосовуються в хімічній, аерокосмічній галузях, в цивільному будівництві, при будівництві трубопроводів і в комунальних мережах. Для згину труб зазвичай використовуються промислові гнучкі установки. Однак, при великих діаметрах труб і великих товщинах використовувати такі установки не вдається. Крім того, ці установки є дорогими і їх використання для згину труб в невеликому обсязі не раціонально. В силу цього актуальною є задача аналізу ефективності простіших способів вигину труб, таких як, наприклад, при спільній дії згинального моменту і локального нагріву. Таким чином, мета статті полягає в побудові моделі, яка дозволяє проводити аналіз згину локально нагрітої труби великого діаметра при навантаженні її згинаючим моментом. Методика дослідження заснована на побудові моделі вигину труб під дією згинального моменту і локального нагріву по заданій області за допомогою методу скінченних елементів. За допомогою програмного комплексу ABAQUS в результаті побудована кінцево–елементна модель деформації локально нагрітої труби при навантаженні її згинаючим моментом. Механічне поведінка матеріалу труби описувалася теорією ідеально–пластичного течії з границею текучості залежать від температури. Наукова новизна полягає в тому, що побудована модель дозволяє за заданою програмою термосилового навантаження визначити залишковий стан труб заданих геометричних розмірів. Побудована модель має практичне значення в області інженерних розрахунків, які можуть бути в свою чергу використані безпосередньо при виготовленні будівельних конструкцій, що включають гнуті труби великого діаметру. Вона дозволяє вибрати оптимальну конфігурацію нагрітої області та режим навантаження для досягнення необхідного вигину труби при виконанні обмежень на зміну товщини стінки і овалізаціі поперечного перерізу

EN: Constructional elements made from bent steel pipes are widely used in chemical and aerospace sectors, civil engineering, the construction of pipelines and utility networks. Industrial bending machines are commonly used for bending pipes. However, for large pipe diameters and thicknesses such large machines cannot be used. Moreover, these are expensive machines and their use for bending pipe is not rational in a small volume. Because of this, the task of analyzing the effectiveness of the simpler ways to bend pipes is relevant, e.g. applying bending moment and local heating effect simultaneously. Thus, the purpose of the article is to build a model that allows to analyze bending of locally heated large–diameter pipe, when it is loaded by bending moment. Method of research consists of building of models of pipe bend by using the finite element method when the bending moment and local heating effect on the predetermined area are applied. Finite element model of the deformation of locally heated pipes that are bended by bending moment was built in software package ABAQUS. The mechanical behavior of the pipe material was described by the theory of ideal–plastic flow with a yield strength, which depends on the temperature. Scientific novelty lies in the fact that the model allows to determine the residual state of the pipe with specified geometric dimensions for a given program of thermopower loading. The constructed model has practical importance in the field of engineering calculations, which are used in the manufacture of building structures with curved large–diameter pipes. This allows to select the optimum configuration of the heated area and the loading mode to achieve the desired bending of the pipe when the restriction on the change of the wall thickness and cross–sectional ovalization are satisfied.