Аннотації

ПЕРІОДИЧНІ КОЛИВАННЯ ОБОЛОНКИ РЕЗЕРВУАРУ З РЕАЛЬНИМИ НЕДОСКОНАЛОСТЯМИ ФОРМИ ВІД ДІЇ ПОВЕРХНЕВОГО ТИСКУ

Автор(и):
О.О. Лук’янченко, О.В. Костіна, О.М. Палій
Автор(и) (англ)
Lukianchenko O.O., Kostina O.V., Paliy O.M.
Дата публікації:

05.07.2022

Анотація (укр):

Представлено чисельний підхід до оцінки впливу реальних недосконалостей форми на власні і вимушені періодичні коливання оболонки резервуару від дії поверхневого тиску. Підхід базується на теорії і методах будівельної механіки та обчислювальних процедурах програмного комплексу скінченно-елементного аналізу NASTRAN. Досліджено зварний стальний резервуар зі змінною по висоті товщиною. На стадії виготовлення, транспортування та експлуатації в стінці резервуара виникли недосконалості форми. В результаті теодолітної зйомки отримано фактичні радіальні та кутові відхилення точок перетину твірних із горизонтальними границями поясів резервуару. Геометрія оболонки з реальними недосконалостями форми побудована за допомогою сплайн-кривих і сплайнових поверхонь з додаванням фактичних радіальних і кутових відхилень до відповідних координат точок твірних оболонки з ідеальною поверхнею. Компьютерна модель резервуару представлена у вигляді циліндричної оболонки з трикутною скінченно-елементною сіткою, яка містить плоскі оболонкові елементи. Накладено обмеження на радіальні та тангенціальні переміщення вузлів верхньої кромки оболонки, вузли нижньої кромки жорстко закріплено. Періодичне навантаження подано у вигляді зовнішнього поверхневого тиску. Виконано модальний аналіз оболонки з ідеальною поверхнею і реальними недосконалостями форми за допомогою розв’язання задачі на власні значення (Normal Modes) методом Ланцоша. Виявлено, що форми власних коливань оболонки з реальними недосконалостями мають локальні деформації в місцях максимальних радіальних відхилень від вертикалі на відміну від регулярних деформацій по всіх формах коливань ідеальної оболонки. Недосконалості форми зменшили і розщепили частоти власних коливань оболонки, при цьому не вплинули на щільність їх розподілу. Досліджено перехідний процес та усталений рух періодичних коливань оболонки від дії поверхневого тиску. За допомогою методу прямого інтегрування (Direct Transient) виконано аналіз перехідного процесу. Виявлено, що за рахунок наявності недосконалостей в стінці резервуара збільшились тривалість перехідного процесу та коефіцієнт динамічності. Виконано прямий частотний аналіз усталеного відгуку оболонки на періодичне збурення (Direct Frequency) з урахуванням відповідних перших десяти форм і частот власних коливань. Виявлено значний вплив недосконалостей форми на резонансні частоти вимушених періодичних коливань і відповідні форми деформування оболонки резервуара.

Анотація (рус):

Анотація (англ):

The numeral approach to analysis of influence the real shape imperfections on natural and forced periodic vibrations of reservoir shell under pressure was presented. The approach was based on a theory and the methods of structural mechanics and calculable procedures of finite-element software complex NASTRAN. The welded steel reservoir with a variable thickness along its height was investigated. On the manufacted stage, transporting and exploitating the defects of wall shape were formed. The actual radial and angular deviations of the reservoir belts as a result measurements by theodolite were got. Geometry of shell with the real shape imperfections by spline curves and spline surfaces with adding of factual radial and angular rejections to the proper coordinates of points formative shells with an ideal surface was built. Model of reservoir in the form of a cylindrical shell with a three-cornered finite-element net was presented. The limits on the radial and tangential displacements of top edge nodes were entered, the nodes of lower edge were fastened. The periodic loading as external pressure was given. The modal analysis of shell without and with real shape imperfections by the decision of task on natural vibrations (Normal Modes) by the Lanczos method was executed. It was discovered that the natural forms of shell with real shape imperfections had local deformations in the places of maximal radial deviations from a vertical line unlike regular deformations in all natural forms of ideal shell. Natural frequencies were decreased and were slit and there wasn’t influence on its dense distribution due to the presence of shell shape imperfections. A transient and forced periodic vibrations of shell under pressure were investigated. Analysis of transient was executed by the method of direct integration (Direct Transient). The presence of shape imperfections in the shell wall influenced the increase of the transient duration and the dynamic coefficient The direct frequency analysis of shell response on periodic loading (Direct Frequency) was executed taking into account the proper ten first forms and frequencies of natural vibrations. Significant influence of the shell shape imperfections on the resonant frequencies of the forced periodic vibrations and corresponding form of deformation was discovered.

Література:

  1. Hunt G.M. Imperfection and near-coincidence for symmetric bifurcations // New York Academy of Sciences. Bifurcation theory and applications in scientific disciplines. Ann. N. Y. Acad. Sci., 1977. – Vol. 316. – P. 572-589.
  2. Рикардс Р.Б. Метод конечных элементов в теории оболочек и пластин. − Рига: Зинатне, 1988. − 284 с.
  3. Григоренко Я.М., Гуляев В.И. Нелинейные задачи теории оболочек и методы их решения (обзор) // Прикладная механика, 1991. − Т. 27, №10. − С. 3-23 с.
  4. Гудрамович В.С. Особенности нелинейного деформирования и критические состояния оболочечных систем с геометрическими несовершенствами // Прикладная механика, 2006. –  Т. 42, № 12. – С. 32-47.
  5. Гавриленко Г.Д. Несущая способность несовершенных оболочек. Моногр. Ин-т механики им. С.П.Тимошенко НАН Украины, 2007. – 294с.
  6. Nguyen Dinh Duc, Hoang Thi Thiem. Dynamic Analisys of Imperfect FGM Circular Cylindrical Shells Reinforced by Stiffener System Using Third Order Shear Deformation Theory in Term of Displacement Components // Latin American Journal of Solids and Structures, 2017, Vol. 14. - P. 2534-2570.
  7. Лук’янченко О.О. Розв’язання проблеми надійності і безпеки оболонкових структур з   недосконалостями форми методами обчислювальної механіки. − Київ: Вид-во „Каравела”, 2019. − 197 с.
  8. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.A., Kostina E.V., Geraschenko O.V. Probabilistic Approach to Determination of Reliability of an Imperfect Supporting Shell // Strength of Materials, 2014. -  Vol. 46, №4. – Р. 567-574.
  9. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.O., Kostina O.V.  Investigation of Static and Dynamic Characteristics of Complex Thin-Walled Shell Structure with Cracks // Strength of Materials, 2016. -  Vol. 48, №3. – Р. 401-410.
  10. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.A., Vorona Yu.V., Kostina E.V. Stability of the parametric vibrations of  a shell in the form of a hyperbolic paraboloid // Internat. Appl. Mech., 2018. -  Vol. 54, №3. –  P. 274-286.
  11. Bazhenov V.А., LukyanchenkoO.O., Kostina О.V. Definition of the failure region of the oil tank with wall imperfections in combined loading // Strength of Materials and Theory of Structures, 2018. – Вип. 100, C. 27-39.
  12. Лук’янченко О.О., Палій О.М. Чисельне моделювання стійкості параметричних коливань тонкостінної оболонки від’ємної гаусової кривизни // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн., К.: КНУБА, 2018. - Вип. 101, С. 45-59.
  13. Lukianchenko O., Kostina O. The finite Element Method in Problems of the Thin Shells Theory, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. − 134 p.
  14. Лук’янченко О.О., Ворона Ю.В., О.В.Костіна, М.О. Вабіщевич, О.М.Палій Надійність тонких оболонок з реальними недосконалостями форми // Вісник КПІ. Серія Приладобудування, 2019. − Вип. 58(2). − С. 34-40.
  15. Палій О.М., Лук’янченко О.О. Частотний аналіз відгуку гіперболічного параболоїда на періодичне повздовжнє навантаження // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2019. – Вип. 102, С. 199-206.  
  16. Lukianchenko O.O. Application of stiffness rings for improving of operating reliability of the tank with shape imperfections // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientificand-technical collected articles. − K.: KNUBA, 2020. − Issue 104. − P. 244-256.
  17. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.A., Vorona Yu.V., Vabyshchevych The influence of shape imperfections on the stability of thin spherical shells // Strengh of Materials, 2021. –  Vol. 53, №6. – Р. 842-850.
  18. Лук’янченко  O.O., Бурау Н.І., Геращенко О.В., Костіна О.В. Частоти і форми власних коливань захисної ємності резервуара з дефектами зварних швів при статичній дії осьового навантаження // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2021. – Вип. 107. – С. 103-119.
  19. Рудаков К.Н. FEMAP 10.2.0. Геометрическое и конечно-элементное моделирование конструкций. – К: НТТУ КПИ, 2011. – 317 с.
  

References:

  1. Hunt G.M. Imperfection and near-coincidence for symmetric bifurcations // New York Academy of Sciences. Bifurcation theory and applications in scientific disciplines. Ann. N. Y. Acad. Sci., 1977. – Vol. 316. – P. 572-589.
  2. Rikards R.B. Metod konechnykh elementov v teoryy obolochek y plastyn [The Finite Element Method in the theory of shells and plates]. − Ryha: Zynatne, 1988. − 284 s.(rus).
  3. Grigorenko Ya.M., Guliaev V.I. Nelyneinye zadachy teoryy obolochek y metody ykh reshenyia (obzor) [Nonlinear tasks of theory of shells and methods of their decision (review)] // Prykladnaia mekhanyka, 1991. − T. 27, №10. − S. 3-23 s.(rus).
  4. Gudramovych V.S. Osobennosty nelyneinoho deformyrovanyia y krytycheskye sostoianyia obolochechnykh system s heometrycheskymy nesovershenstvamy [Features of nonlinear deformation and critical conditions of the оболочечных systems with geometrical imperfections] // Prykladnaia mekhanyka, 2006. –  T. 42, № 12. – S. 32-47 (rus).
  5. Gavrilenko H.D. Nesushchaia sposobnost nesovershennykh obolochek [Bearing strength of imperfect shells]. Monohr. Yn-t mekhanyky ym. S.P.Tymoshenko NAN Ukrayny, 2007. – 294s.(rus).
  6. Nguyen Dinh Duc, Hoang Thi Thiem. Dynamic Analisys of Imperfect FGM Circular Cylindrical Shells Reinforced by Stiffener System Using Third Order Shear Deformation Theory in Term of Displacement Components // Latin American Journal of Solids and Structures, 2017, Vol. 14. - P. 2534-2570.
  7. Lukianchenko O.О. Rozviazannia problemy nadiinosti i bezpeky obolonkovykh struktur z   nedoskonalostiamy formy metodamy obchysliuvalnoi mekhaniky [Decision of problem of reliability and safety of shell structures  with shape imperfections by the methods of calculable mechanics]. − Kyiv: Vyd-vo „Karavela”, 2019. − 197 s (ukr).
  8. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.A., Kostina E.V., Geraschenko O.V. Probabilistic Approach to Determination of Reliability of an Imperfect Supporting Shell // Strength of Materials, 2014. -  Vol. 46, №4. – Р. 567-574.
  9. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.O., Kostina O.V.  Investigation of Static and Dynamic Characteristics of Complex Thin-Walled Shell Structure with Cracks // Strength of Materials, 2016. -  Vol. 48, №3. – Р. 401-410.
  10. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.A., Vorona Yu.V., Kostina E.V. Stability of the parametric vibrations of a shell in the form of a hyperbolic paraboloid // Internat. Appl. Mech., 2018. -  Vol. 54, №3. –  P. 274-286.
  11. Bazhenov V.А., Lukianchenko O.О., Kostina О.V. Definition of the failure region of the oil tank with wall imperfections in combined loading // Strength of Materials and Theory of Structures, 2018. – Issue 100, C. 27-39.
  12. Lukianchenko O.О., Paliy О.М. Chyselne modeliuvannia stiikosti parametrychnykh kolyvan tonkostinnoi obolonky vidiemnoi hausovoi kryvyzny [Numeral design of  vibrations stability of the thin-walled shell with negative гаусової curvature] // Opir materialiv i teoriia sporud: nauk.-tekh. zbirn., K.: KNUBA, 2018. – Vyp. 101, S. 45-59 (ukr).
  13. Lukianchenko O., Kostina O. The finite Element Method in Problems of the Thin Shells Theory, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019. − 134 p.(ukr).
  14. Lukianchenko O.О., Vorona Yu.V., Kostina О.V., Vabyshchevych M.O., Paliy О.М. Nadiinist tonkykh obolonok z realnymy nedoskonalostiamy formy [Reliability of thin shells with real shape imperfections] // Visnyk KPI. Seriia Pryladobuduvannia, 2019. − Vyp. 58(2). − S. 34-40 (ukr).
  15. Paliy О.М., Lukianchenko O.О. Chastotnyi analiz vidhuku hiperbolichnoho paraboloida na periodychne povzdovzhnie navantazhennia [Frequency analysis of response of hyperbolical paraboloid on the periodic longitudinal loading]  // Opir materialiv i teoriia sporud: nauk.-tekh. zbirn. – K.: KNUBA, 2019. – Vyp. 102, S. 199-206 (ukr).    
  16. Lukianchenko O.O. Application of stiffness rings for improving of operating reliability of the tank with shape imperfections // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientificand-technical collected articles. − K.: KNUBA, 2020. − Issue 104. − P. 244-256.
  17. Bazhenov V.A., Lukianchenko O.О., Vorona Yu.V., Vabyshchevych M.O. The influence of shape imperfections on the stability of thin spherical shells // Strengh of Materials, 2021. –  Vol. 53, №6. – Р. 842-850.
  18. Rudakov K.N. FEMAP 10.2.0. Heometrycheskoe y konechno-еlementnoe modelyrovanye konstruktsyi [Geometrical and finite-element design of constructions]. – K: NTTU KPY, 2011. – 317 s.(rus).
  19. Lukianchenko O.О., Bourau N.І., Geraschenko O.V., Kostina О.V. Chastoty i formy vlasnykh kolyvan zakhysnoi yemnosti rezervuara z defektamy zvarnykh shviv pry statychnii dii osovoho navantazhennia [Natural frequencies and forms of protective capacity of reservoir with the weld defects under the static action of axial loading] // Opir materialiv i teoriia sporud: nauk.-tekh. zbirn. – K.: KNUBA, 2021. – Vyp. 107. – S. 103-119 (ukr).