CC BY
34
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
сб. ст. VII Всерос. науч.-практ. конф. 2016. С.53-57.
18. Лаврентьева М.В. Автоматизация типовых процессов проектирования электронного макета изделия // Авиамашиностроение и транспорт Сибири : сб. ст. V Всерос. науч.-практ. конф. 2015. С. 134-139.
19. Лаврентьева М.В., Ерофеев М.С. Корреляция параметров электронного макета и технологических параметров изделия // Авиамашиностроение и транспорт Сибири : сб. ст. VII Все-рос. науч.-практ. конф. 2016. С. 70-72._
20. Лаврентьева М.В., Чимитов П.Е. Выборка параметров электронной модели изделия для автоматизированного проектирования технологической оснастки // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 3 (51). С. 55-60.
21.Чимитов П.Е. Лаврентьева М.В. Интегрированная система создания электронной модели авиационной сборочной оснастки // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2014. Т. 16. № 1-5. С. 1640-1646.
УДК 62.3; 004.02 Кольцов Владимир Петрович,
д. т. н., профессор,
Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 8(3952)405150, e-mail: [email protected] Ракицкая Валентина Борисовна, младший научный сотрудник, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 8(3952)405150, e-mail: [email protected]
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ КЛАПАНА С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ РУКАВНЫМ ПРИВОДОМ В ПК SIMULIA ABAQUS И FLOWVISION
V. P. Koltsov, V. B. Rakitskaya
FEATURES OF VALVE MODELING WITH A HOSE HYDRAULIC DRIVE ON THE PC
SIMULIA ABAQUS AND FLOWVISION
Аннотация. Предлагается метод исследования новейшего оборудования трубопроводной арматуры с использованием программных продуктов SIMULIA Abaqus и FlowVision. Описывается конструкция клапана с рукавным приводом. Рассматривается принцип действия устройства. Целью моделирования является проверка работоспособности схемы клапана и предварительное определение конструктивных размеров рабочих органов клапана. Приводится пошаговая методика FSI (Fluid Structure Interaction) моделирования. Моделирование НДС упругого элемента, а также расчет его деформаций исполняется в программном комплексе для прочностного расчёта Abaqus, моделирование жидкости - в программном комплексе вычислительной аэрогидродинамики FlowVision. Обмен и управление передачей данных между программами осуществляет Multi Physics (MP) менеджер. Приведены результаты моделирования. Показан поэтапный процесс открытия клапана. Отражены зоны повышенного и пониженного давления, скорость потока жидкости и его направление, распределение узловых нагрузок на стенке эластичного элемента, а также поле напряжений.
Ключевые слова: FSI (Fluid Structure Interaction) моделирование, трубопроводная арматура, клапан с рукавным приводом.
Abstract. It is proposed to study the newest pipe fittings equipment using SIMULIA Abaqus and FlowVision software. The structure of the valve with a hose drive. We consider the principle of operation of the device. The purpose of the simulation is to test the performance of the valve circuit and predetermine structural dimensions of working valve bodies. A step by step method of FSI (Fluid Structure Interaction) simulation is presented Stress-strain state simulation of the elastic element, as well as the calculation of its deformation is performed in the software package for the calculation of the strength Abaqus, fluid simulation - in the software package of computational aerodynamics FlowVision. Exchange and management of data transfer between programs is provided by Multi Physics (MP) Manager. Modeling results are presented. A gradual process of opening the valve is shown. High and low pressure zones, the fluid flow rate and its direction, the distribution of nodal loads on the wall of the elastic member, and the stress field are presented.
Keywords: FSI (Fluid Structure Interaction) modeling, pipe fittings, valve with a hose drive.
Введение
В настоящее время проводится немало исследований в области разработки приводов для трубопроводной арматуры. Одним из предложений в модернизации арматуры является применение энергии рабочей среды в качестве источника движения привода [1]. Однако эксплуатация этой энергии в существующих конструкциях арматуры
не оправдана, в связи с дальнейшим усложнением конструкции и, соответственно, увеличением стоимости изделий. Решение проблемы найдено в применении рукавных приводов, то есть в использовании в конструкциях устройств эластичных материалов и оболочек. Это позволило сократить количество точных деталей из высокопрочных ма-
Машиностроение и машиноведение
териалов, понизить требования к точности обработки деталей.
Конструкция и принцип работы клапана с рукавным приводом
Статья посвящена моделированию работы новой схемы клапана трубопроводной арматуры с эластичным запорным органом [2] (рис. 1), конструкция которого представляет следующее: в цилиндрический корпус с расширением установлена диафрагма в виде эластичной ёмкости, которая с помощью патрубков соединена с входной и выходной полостями клапана, управляется клапан трехходовым шаровым краном.
тельное определение конструктивных размеров рабочих органов клапана. Для реализации цели наиболее пригодна совокупность программных комплексов Abaqus и FlowVision [3]. В результате была построена квази-3D-модель клапана (рис. 2). Построенная модель позволила проверить работоспособность устройства, дать оценку напряженно-деформированному состоянию эластичного элемента под действием гидродинамических сил.
Рис. 1. Клапан
Для закрытия клапана открывается патрубок слева, вследствие этого транспортируемая среда поступает в полость эластичной емкости, которая в процессе наполнения раскрывается и перекрывает проходное сечение корпуса. Для открытия клапана необходимо поменять положение ручки шарового крана, в результате чего рабочая среда через правый патрубок будет сбрасываться в выходную полость, эластичная диафрагма под воздействием давления с входа клапана будет сжиматься, тем самым освобождается проходная труба клапана. Моделирование клапана в ПК SIMULIA Abaqus и FlowVision Целью моделирования является проверка работоспособности схемы клапана и предвари-
Рис. 2. Квази-3D-модель клапана
Традиционно анализ прочности конструкции и гидродинамики выполняют раздельно в разных проектах [4]. Совмещение механического и гидродинамического моделирования позволило решить задачу комплексного взаимодействия жидкости и конструкции клапана. Однако такие задачи требуют синхронного моделирования физических процессов, учитывающего их влияние друг на друга. При решении таких проектов используют FSI (Fluid Structure Interaction) метод - это совместный расчет двух проектов, базирующийся на взаимосвязи деформируемой конструкции с внутренним или внешним потоком рабочей среды. Задачи взаимодействия жидкости и конструкции зачастую слишком сложны для моделирования их аналитическим способом, поэтому они должны быть обработаны с помощью численного моделирования [5].
Моделирование НДС упругого элемента, а также расчет его деформаций исполняется в программном комплексе для прочностного расчёта Abaqus, моделирование жидкости - в программном комплексе вычислительной аэрогидродинамики FlowVision. Обмен и управление передачей данных между вышеназванными программами осуществляет Multi Physics (MP) менеджер. На каждом шаге расчетная область перестраивается и происходит взаимосвязанный обмен информацией между Abaqus и FlowVision. Узловые нагрузки на конечные элементы от потока рабочей среды, рассчитанные во FlowVision, направляются в Abaqus. После этого в Abaqus вычисляются деформации
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
упругого элемента и во FlowVision отправляются координаты узлов эластичного элемента.
На начальном этапе были подготовлены раздельно расчетные схемы задачи в Abaqus и FlowVision.
В Abaqus готовая геометрическая модель была импортирована из CAD-системы. Далее был задан материал эластичной ёмкости, свойства которого описаны моделью Marlow, назначены свойства геометрической модели клапана. Корпусу клапана не назначаются какие-либо свойства, он является абсолютно жестким телом.
После была создана сборочная единица Assembly, которая содержит эластичный элемент и корпус клапана. Abaqus - это программный комплекс, в зависимости от постановки задачи в котором могут применяться различные решатели. Для решения был выбран метод реализации задачи в модуле Step и заданы параметры расчета.
Одним из важных этапов в постановке задачи в Abaqus является задание контактных взаимодействий и моделирование General контакта.
Далее были заданы граничные условия (рис. 3). Эластичный элемент жёстко зафиксирован по фланцу, и в связи с квази-3D-постановкой задачи на него наложено условие симметрии. В связи с тем, что корпус в модели представлен как абсолютно жесткое тело, граничные условия на него были приложены с помощью управляющей точки Reference Point, которую жестко закрепили.
было задано указание на связь через ключевые фразы в текстовом коде модели (Input file).
Указание на связь задано через программный код, в котором указаны команда на определение связи между задачами, поверхности контакта (взаимодействия), команды на импорт нагрузки из FlowVision и экспорт координат узлов из Abaqus и параметры связи проектов (рис. 4).
Следующим шагом FSI-задачи было создание модели в FlowVision и последующая модификация этой задачи для осуществления связки программных продуктов.
Рис. 4. Команда на связь
Первым шагом был произведен импорт проточной части геометрической модели, созданной в CAD-системе (рис. 5). После в FlowVision было смоделировано движение жидкости в устройстве. Задано вещество - вода, указаны её свойства. Далее создана фаза, которой присвоено созданное вещество, указано движение, выбраны свойства ньютоновской жидкости. Определены коэффициенты мобильности и податливости для физических процессов. После созданная фаза и импортированная модель были присвоены расчетной области.
Рис. 3. Граничные условия клапана
Затем геометрическую модель клапана разбили на конечно-элементную сетку.
После выполнения стандартной части задачи для подготовки к совместному расчету с FlowVision задача была модифицирована и создана поверхность контакта (взаимодействия), в основе которой используется КЭ-сетка.
Следующий этап модификации задачи - создание условий взаимодействия проекта, для чего
Рис. 5. Модель клапана в FlowVision
Следующим действием было приложение к модели граничных условий. Создано граничное
Машиностроение и машиноведение
условие «вход», для него указан тип «вход/выход» и массовая скорость потока. Задано граничное условие «выход», на него было наложено условие «свободный выход». После созданы граничные условия «симметрия» и «стенка».
В связи с динамическим условием задачи модель была разбита на прямоугольную расчетную сетку. Для моделирования задачи с мелкими узлами конструкции и сложной картиной течения была применена местная адаптация расчетной сетки, то есть каждая ячейка была разделена на 8 более мелких ячеек. Расчет НДС эластичной емкости был произведен на КЭ-сетке. Внешняя граница этой сетки была использована как граница области расчета жидкости [7].
После создания расчетной сетки были указаны параметры расчета на солвере: шаг по времени, автосохранение слоев и данных.
Сохраненная в 1при1;-файле КЭ-сетка эластичной емкости была импортирована из Abaqus. При импорте информации в 1при1;-файле, была оставлена информация лишь КЭ-сетки эластичного элемента.
После импорта конечно-элементной модели эластичного элемента был создан на его основе модификатор «подвижное тело». В свойствах подвижного тела указано начальное положение тела.
Для запуска расчета Б81-задачи была создана солверная часть и далее она была модифицирована (рис. 6).
<?хш1 т,вгв£оп=и1.0" впс^Л-пд^иТЕ-в* всап^аЗ-опе^по* ?>
<РЕО]1Б>АЗГА0165-ГВС7-4060-8С77-42Г4711Х:4652</Ргоз10> ^егз1оп10>6В8ЭСВОВ-58В8-4233-ВВОО-С12ВС46Г44ГЗ</Уегя1оп1Б> <Зсвпв1О>СА48Е853-Б7БЗ-42ВЗ-БЭВ4-76гюев720ГАб</Зсвпе1С> С^е11Б>867СРЗЭ4-А0АС-436В-ЭБ24-1С97С1АР4382</СЪг1Ю>
<Соппес1огЮ>МртСоппес1о1</Соппес1огО
</ГТРНОЛЕСР>
Рис. 6. Модификация солверной части проекта
Связь задач между Abaqus и FlowVision была осуществлена через МР Менеджер (МРМ) -подпрограмму FlowVision [8]. Менеджер автоматически запускал попеременно задачи в Abaqus и FlowVision и передавал данные о расчете в соответствующую программу.
Полученные результаты
Результаты, полученные при моделировании гидродинамической части проекта, представлены на рис. 7. Здесь показан поэтапный процесс открытия клапана. Отражены зоны повышенного и пониженного давления, которые определены распределением цветовой гаммы.
Помимо этого, в FlowVision можно оценить скорость потока жидкости и его направление
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
(рис. 8), на рисунке повышение скорости отражается переходом цветовой гаммы от темных оттенков к светлым.
Рис. 8. Распределение скорости потока жидкости
По механической части проекта результаты представлены в AbaqшYViewer. На рис. 9 отражено распределение узловых нагрузок на стенке эластичного элемента. На рис. 10 отображено поле напряжений.
Рис. 9. Распределение узловых нагрузок
Рис. 10. Поле напряжений
Заключение
Проведенные предварительные испытания клапана, основанные на двухстороннем прямом сопряжении программных комплексов FlowVision
и Abaqus, подтвердили работоспособность выбранной схемы. Построенная модель предоставляет возможность расчета конструктивных параметров для размерных рядов клапанов и рядов при различных условиях эксплуатации, минимизируя при этом по сравнению с традиционными методами на основе испытаний физических моделей временные и денежные затраты.
Статья выполнена в рамках государственного задания №287 «Новое поколение запорно-регулирующего оборудования».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кольцов В.П., Попова Е.С., Герасимова Е.О. Трубопроводная арматура нового поколения // Вестник ИрГТУ. 2011. № 9. С 27-35.
2. Патент РФ № 148096 МПК3кл. F16K 7/07, 2006.01 Устройство для перекрытия трубопроводов / Кольцов В.П., Майзель И.Г., Ракицкая В.Б. 0публ.27.11.2014. Бюл. № 33. С. 6.
3. Аксенов А.А. Моделирование сильного взаимодействия жидкости и конструкции программным комплексом flowvision-abaqus // Параллельные вычислительные технологии (павт'2008). 2008. С. 289.
4. Ракицкая В.Б. Параметрические исследования клапана с рукавным приводом на этапе проектирования // Вестник ИрГТУ. 2013. № 10. С 5256.
5. Кузьмин И. М., Тонков Л. Е., Копысов С. П. Алгоритмическое и программное обеспечение решения задач взаимодействия конструкции с жидкостью/газом на гибридных вычислительных системах // Компьютерные исследования и моделирование. 2013. Т. 5 № 2 С. 153164.
6. Кольцов В.П., Ракицкая В.Б., Попова Е.С. Исследования и проектировние модели клапана с рукавным приводом // Прогресивш технологи i системи машинобудування. 2012. № 1. С. 116122.
7. Аксенов А.А., Коньшин В.. Анализ задач взаимодействия жидкость - конструкция с использованием программных комплексов ABAQUS и FlowVision // САПР и графика. 2006. №9. С. 2729.
8. Барашков С., Шмелев В.. Flowvision - современный инженерный инструмент в исследовании газодинамических характеристик компрессоров // САПР и графика. 2005. № 1. С. 17.
