Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Строительная механика

Диссертационная работа:

Соколов Владимир Григорьевич. Колебания, статическая и динамическая устойчивость трубопроводов большого диаметра: автореферат дис. ... доктора технических наук: 05.23.17 / Соколов Владимир Григорьевич;[Место защиты: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет].- Санкт-Петербург, 2011.- 35 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность работы. Развитие нефтяной и газовой промышленности, растущая потребность транспортировки нефти и газа на большие расстояния способствует расширению сети магистральных трубопроводов. Например, построенный магистральный газопровод «Северный поток» из России в страны Западной Европы по дну Балтийского моря будет иметь протяженность 1200 км, а газопровод «Южный поток» по дну Черного моря 900 км. Эти сооружения выполняются из тонкостенных труб диаметром 1220 мм, и более. Статические и динамические расчеты при проектировании таких трубопроводов должны обеспечить надежность их эксплуатации. Следовательно, при проектировании трубопроводов необходимо использовать такие расчетные модели, которые наиболее полно отражают реальные особенности эксплуатации рассматриваемых конструкций. Расчеты, проводящиеся по СНиП и другим нормативным документам, как правило, базируются на стержневой теории, затрагивающие отдельные аспекты надежности эксплуатации трубопроводов. Принимаемая в расчете трубопроводов базовая расчетная модель в виде стержня с недеформируемым контуром поперечного сечения является приближенным представлением об эксплуатации тонкостенного трубопровода большого диаметра. По этой расчетной схеме не удается учесть многие важные факторы, свойственные реальным трубопроводам, а именно, невозможно учесть влияние внешнего или внутреннего давления на динамические характеристики и устойчивость трубопровода, не учитывает влияние криволинейных вставок, которые возможно рассчитать только с использованием теории тороидальных оболочек.

Настоящая работа направлена на совершенствование динамического расчета тонкостенных труб большого диаметра надземных и глубоководных трубопроводов.

Степень разработки проблемы.

Анализируется современное состояние вопроса, относящегося к теме диссертации. Приводится обзор работ, посвященных исследованию свободных колебаний и динамической устойчивости трубопроводов с протекающей жидкостью, как на основании стержневой теории, так и на базе теории оболочек.

Впервые задача о свободных колебаниях прямолинейного трубопровода, содержащего поток жидкости, была решена Х.Эшли и Ж.Хэвилендом с позиции теории стержней. Однако из-за неполного учета сил инерции протекающей жидкости ими был получен неточный результат. В последовавших работах В.И.Феодосьева, Г.В.Хазнера, В.В.Болотина, А.А.Гладских, С.А.Хачатуряна было получено основное уравнение движения прямой трубы, свободно опертой на концах, и развивались в направлении уточнения решения, учета новых факторов влияющих на свободные колебания трубопроводов. Так, например, влияние скорости потока жидкости, продольной сжимающей силы, упругого основания грунта. К экспериментальным исследованиям в этой области относятся работы А.П. Ковревского и Р.Лонга. Позднее подробный анализ работ, посвященный проблеме колебаний прямолинейных трубопроводов с

потоком жидкости в рамках стержневой теории, выполнены академиком СВ. Челомеем и В.А. Светлицким.

Исследования свободных колебаний криволинейных участков трубопроводов с постоянным потоком жидкости в рамках стержневой теории рассмотрены в работах В.С.Ушакова, Т.Анни, И.Хилла, С.Девиса, М.П. Пайдуссиса, П.Д. Доценко, В.А. Светлицкого. Во всех этих трудах приводятся уравнения движения криволинейного плоского или пространственного трубопровода, решения которых и их анализ представлены в виде графиков зависимостей частот свободных колебаний от различных факторов (кривизны трубопровода, скорости потока жидкости и др.) Аналитических выражений приемлемых для практического использования эти работы не содержат. В работах А.К. Кохли, Б.С. Накра эта задача решается методом конечных элементов. Экспериментальные исследования свободных колебаний с потоком жидкости подробно описаны в работе Ватари Ацуси.

Колебания тонкостенных трубопроводов сопровождаются деформацией поперечных сечений. Вопросу исследования свободных колебаний цилиндрической оболочки посвящено большое количество статей, основанных на уравнениях В. Флюгге и теории пологих оболочек В.З. Власова. Наиболее полное решение задачи о свободных колебаниях цилиндрической оболочки с учетом радиальных и тангенциальных сил инерции, а также внутреннего давления было получено В.П. Ильиным, О.Б.Халецкой на основе геометрически нелинейной полубезмоментной теории оболочек Власова-Новожилова.

Свободные колебания криволинейных участков трубопроводов большого диаметра исследовались большей частью на основании теории тороидальных оболочек. Большинство этих работ относятся к замкнутым тороидальным оболочкам, поэтому эти результаты нельзя использовать для определения динамических характеристик криволинейных участков трубопроводов. В статье В.С.Гонткевича для незамкнутых криволинейных участков трубопроводов получено кубическое уравнение для определения собственных частот, которое решается приближенным методом. Влияние внутреннего давления на частоты свободных колебаний исследовалось в статье А.В.Булыгина, а К.Федергоф исследовал осесимметричные колебания. Позднее в работах Мак-Гила тороидальная оболочка рассматривалась с позиции линейной теории упругости и решение получено методом конечных разностей.

Проблеме взаимодействий оболочек с установившимся потоком жидкости посвящены работы В.В. Болотина, М.А. Ильгамова, А.С. Вольмира, М.С. Грача, С.Г. Шульмана, И.С. Фанга, И.А. Харингса, Е.И. Ниордсона, М.П. Пайдуссиса, И.П.Дениса, Д.С. Уивера, Т.Е. Анни. В работах рассматриваются теоретические и экспериментальные исследования свободных колебаний и устойчивости.

Приведенные решения задачи о свободных колебаниях цилиндрической оболочки с потоком жидкости основаны на различного рода допущениях (полубезмоментная теория, теория пологих оболочек, пренебрежение

тангенциальными составляющими сил инерции и др.). Они дают приближенное представление о частотах и формах колебаний таких оболочек.

Теория динамической устойчивости стержней, основы которой были заложены Н.М.Беляевым в 1924г., получила развитие в работах В.В.Болотина, Б.З.Брачковского, В.А.Гастева, Е.А.Бейлина, Г.Ю.Джанелидзе, Н.А.Леоньева, Л.И.Мандельштама, П.А.Папалекси и др.

Одним из первых исследований динамической устойчивости
трубопроводов с протекающей жидкостью с позиции стержневой теории
являются решения, полученные И.И.Гольденблатом Н.А. Картвелишвили,
Н.С.Натансоном, В.П.Катаевым, А.А.Мухиным, А.П.Ковреским,

А.А.Мовчаном, В.Роза, С.С.Чена и других исследователей, в которых рассматривался пульсирующий поток жидкости, приводящих к системе связанных уравнений Матье-Хила. Определены границы областей неустойчивости для прямых труб с различными условиями опирання концов. В статьях С.В.Челомея дан качественный и количественный анализ основного главного параметрического резонанса и комбинационных резонансов, возникающих при двух кратных корнях характеристического уравнения.

Во всех работах, посвященных оценке динамической устойчивости тонких цилиндрических оболочек с протекающей жидкостью проводились на основе сложного решения связанных систем дифференциальных уравнений Матье. Система решалась численными методами для каждого частого случая.

В литературных источниках имеется недостаточно информации по динамическому расчету морских глубоководных трубопроводов, которая, в основном, базируется на стержневой теории. Например, монографии П.П. Бородавкина или статьи А.Н. Пануша и Р.А.Синяка. В работе Мемото Кенича рассматривается композитная цилиндрическая оболочка, подверженная действию внутреннего и внешнего давления. В работе Д.В. Гринспуна рассматривается цилиндрическая оболочка типа «сандвич». В статьях С.Н. Кукуджанова, А.А.Ефимова исследуются свободные колебания и устойчивость однослойных трубопроводов.

Информация о динамическом расчете двухслойных морских глубоководных трубопроводов большого диаметра с позиции теории оболочек автору диссертации в доступной литературе найти не удалось.

Таким образом, рассматриваемые вопросы о свободных и параметрических колебаниях трубопроводов большого диаметра нуждаются в дальнейших исследованиях.

Цель и задачи исследований. На основе единой расчетной модели трубопроводов большого диаметра в виде оболочки среднего изгиба решить научно-техническую проблему совершенствования теоретических основ и аналитических методов динамического расчета прямых и криволинейных, надземных и подводных продуктопроводов.

В соответствии с поставленной целью необходимо осуществить решение следующих задач:

- На базе геометрически нелинейного варианта полубезмоментной теории цилиндрических оболочек среднего изгиба получить уравнения

движения прямолинейного трубопровода большого диаметра с учетом всех составляющих сил инерции, продольных сил, внутреннего и внешнего давлений с учетом протекающей жидкости;

Полученные уравнения движения для разных вариантов закрепления концевых сечений участков трубопроводов решить методом Бубнова-Галеркина с использованием фундаментальных балочных функций;

На основании полученного решения исследовать свободные колебания надземных трубопроводов с разными условиями закрепления концевых сечений с учетом внутреннего давления и продольных сил, определить критические значения этих сил, при которых трубопровод теряет статическую устойчивость;

Используя полубезмоментную теорию неоднородных оболочек решить задачу об определении частот и форм свободных колебаний двухслойных морских глубоководных трубопроводов, лежащих на упругом основании морского дна, подверженных действию внутреннего рабочего и наружного гидростатического давления, с учетом присоединенной массы жидкости;

При нестационарном потоке нефти и газа в морском глубоководном продуктопроводе получить дифференциальное уравнение Матье, исследовать параметрические колебания трубопровода большого диаметра и его динамическую устойчивость с помощью построения и анализа границ модифицированных диаграмм Айнса-Стретта;

Определить гидродинамическое давление жидкости, протекающей в тороидальной оболочке на основе теории потенциального течения несжимаемой жидкости в тороидальных координатах с использованием функций Лежандра первого рода.

Решить задачу об изгибных свободных и параметрических колебаний криволинейных участков трубопровода в тороидальных координатах для труб большого диаметра;

Представить решения для динамической устойчивости криволинейных участков трубопроводов в виде удобных для инженерных расчетов формул с использованием модифицированных диаграмм Айнса-Стретта.

Объект исследований - Прямолинейные и криволинейные участки газо-и нефтепроводы большого диаметра при надземной и подводной прокладке.

Предмет исследования - Свободные и параметрические колебания прямолинейных и криволинейных участков трубопроводов, статическая и динамическая устойчивость надземных и глубоководных трубопроводов.

Теоретические и методологическая основа исследования. Теоретической и методологической основой диссертации явились труды отечественных и зарубежных специалистов в области проектирования и динамических расчетов надземных и глубоководных трубопроводов.

Методы исследований. Используемый в диссертации расчетный аппарат основан на геометрически нелинейном варианте полубезмоментной теории

оболочек и теории потенциального течения идеальной несжимаемой жидкости. В решениях использован современный математический аппарат строительной механики: метод Фурье разделения переменных, вариационный метод Бубнова-Галеркина, фундаментальные функции В.З.Власова, функции Бесселя и Лежандра. Для контроля решения разделяющей системы дифференциальных уравнений методом Бубнова-Галеркина дополнительно использовано решение уравнений методом Эйлера. Теоретические результаты, полученные автором, сравнивались с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Информационно-эмпирическая база исследования основана на данных анализа, литературных источников, нормативных актов и анализа результатов эксплуатации надземных и глубоководных трубопроводов.

Области исследования соответствуют паспорту специальности 05.23.17 «Строительная механика». Рассматриваются спектры собственных частот и форм колебаний, критические значения внешнего давления и критические скорости протекающей жидкости, а также области динамической неустойчивости при пульсирующем воздействии давления или потока жидкости.

Научная новизна - на основании единой расчетной модели
тонкостенного трубопровода большого диаметра в виде цилиндрической
оболочки для прямых трубопроводов и тороидальной для криволинейных
решены в аналитическом виде задачи определения частот свободных изгибных
колебаний, статической и динамической устойчивости надземных напорных
трубопроводов с протекающей жидкостью и морских двухслойных
неоднородных глубоководных трубопроводов. Разработаны и

усовершенствованы методы динамического расчета надземных и подводных газо- и нефтепроводов, соответствующим реальным условиям эксплуатации.

Достоверность результатов - основных положений диссертации обеспечена применением современного математического аппарата строительной механики, удовлетворительным соответствием частных случаев, полученных в диссертации формул с известными результатами других авторов, а также удовлетворительным соответствием с результатами эксперимента.

Практическое значимость - результаты полученных в диссертации решений представлены в виде аналитических выражений (формул) или модифицированных диаграмм Айнса-Стретта для областей динамической неустойчивости трубопроводов. Эти результаты обладают всеми преимуществами аналитических решений и, кроме того, могут быть полезными для контроля решений, полученных с помощью современных программных комплексов, основанных на методе конечных элементов.

Апробация работы. Основные положения и основные результаты диссертации, докладывались на научных семинарах и конференциях:

научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов ЛИСИ, г. Ленинград, 1977г., 1978г.,

конференция НТО «Проектировщики и исследователи Тюмени в борьбе за эффективность и качество», г. Тюмень, 1983г.,

всесоюзная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения Н.М. Беляева «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте», ЛИИЖТ, г. Ленинград, 1990г.,

региональный семинар «Проблемы заводнения при выработке трудноизвлекаемых запасов», ТюмГНГУ, г. Тюмень, 2008г.,

международная научно - техническая конференция, посвященная 40-летию кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», ТюмГНГУ, г. Тюмень, 2008г.,

VII международная конференция по проблемам прочности материалов и сооружений на транспорте, ПГУПС, Санкт-Петербург, 2008г.,

научный семинар кафедры «Теоретическая и прикладная механика», ТюмГНГУ, г. Тюмень, 2008 г.,

ежегодная научная конференция профессоров, преподавателей научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2009г., 2010 г., 2011г.,

VIII международная конференция по проблемам прочности материалов и сооружений на транспорте, ПГУПС, Санкт-Петербург, 2011 г.

На защиту выносятся:

исследования свободных колебаний надземных газопроводов с учетом внутреннего рабочего давления и продольных сил при различных граничных условиях. Получен критерий применения теории оболочек для определения частот свободных колебаний, зависящих от длины прямолинейного участка трубы;

влияние продольных сил на частоты свободных колебаний и статическую устойчивость надземных газопроводов;

методы определения свободных и параметрические колебания с позиций тонкостенных оболочек, определение областей статической и динамической устойчивости магистральных глубоководных газопроводов, лежащих на упругом основании;

свободные колебания и статическая устойчивость надземных и глубоководных трубопроводов с протекающей жидкостью с учетом действия продольных сил для разных граничных условий;

параметрические колебания и динамическая устойчивость глубоководных нефтепроводов, лежащих на упругом основании;

свободные колебания и статическая устойчивость криволинейных участков трубопроводов с протекающей жидкостью и стационарным внешним давлением;

определение гидродинамического давления жидкости в криволинейной трубе, моделируемой тороидальной оболочкой;

параметрические колебания криволинейных участков трубопроводов под действием возбуждающих сил.

Публикации. Основные положения работы отражены в печатных публикациях, в том числе 1 монография в соавторстве, 27 статей, из них 15 в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Рукопись состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 314 страниц, 47 рисунков, 19 таблиц, 11 приложений, список литературы из 208 наименований, в том числе - 42 на иностранном языке.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net