PhD (Physics and Mathematics), senior lecturer of Chair of Computational Methods of Mechanics of Solids
кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры вычислительных методов механики деформируемого тела
Pressure vessels, in particular cylindrical and spherical thin-walled vessels, are widely used in the industry. The aggressive impact of the environment during operation, as well as workloads, lead to the gradual accumulation of defects in structures. Since local defects act as stress concentrators, to ensure the strength and reliability of a structure, it is necessary to take into account the stress concentration near the defects. The paper considers a thin-walled sphere under pressure with the damages on its inner surface. The author modeled the defects as spherical notches immersed to the depth equal to half of their radius. Defects are evenly spaced along one of the circumferences of a large sphere. To estimate the stress state, the author built 3-D models of a spherical vessel with defects. The study considers the different number of defects and various sizes of defects; each parameter value corresponds to its geometry model. With the ANSYS Workbench package of finite element analysis, for each model, the author carried out the application of loads (pressure acts on the inner surface of a vessel), model decomposition into finite elements, and builds the field of maximum normal stresses distribution in a body. Calculations are made in the framework of the linear theory of elasticity. The author carried out a numerical experiment to study the influence of the number of surface defects on the stress state within their neighborhood. The paper studies the dependence of calculated stresses in the body on the depth of defects. The study showed that with an increase in the number of defects, as well as with an increase in their depth, the maximum normal stress increases.
В различных отраслях промышленности широко используются сосуды давления, в частности, распространены цилиндрические и сферические тонкостенные сосуды. Агрессивное воздействие окружающей среды при эксплуатации, а также рабочие нагрузки приводят к постепенному накоплению дефектов в конструкциях. Поскольку локальные дефекты действуют как концентраторы напряжений, для обеспечения прочности и надежности работы конструкции необходимо учитывать концентрацию напряжений вблизи дефектов. В работе рассматривается тонкостенная сфера под давлением, на внутренней поверхности которой имеются повреждения. Дефекты моделируются в виде сферических выемок, погруженных на глубину, равную половине своего радиуса. Количество дефектов варьируется. Дефекты расположены равномерно вдоль одной из окружностей большого круга сферы. Для оценки напряженного состояния построены 3D-модели сферического сосуда с дефектами. Рассматривается разное количество дефектов и различные размеры дефектов, каждому значению параметров соответствует своя модель геометрии. С использованием пакета конечно-элементного анализа ANSYS Workbench для каждой построенной модели производится приложение нагрузок (на внутреннюю поверхность сосуда действует давление), разбиение модели на конечные элементы и строится поле распределения максимальных нормальных напряжений в теле. Расчеты производятся в рамках линейной теории упругости. Проведен численный эксперимент по изучению влияния количества поверхностных дефектов на напряженное состояние в их окрестности. Исследована зависимость рассчитанных напряжений в теле от глубины дефектов. Показано, что при увеличении количества дефектов, а также при увеличении их глубины максимальное нормальное напряжение возрастает.