Προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων της αντοχής σωληνωτών μεταλλικών μελών υπό την παρουσία τοπικής αρχικής κύρτωσης του τοιχώματος

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η οριακή αντοχή χαλύβδινων σωληνωτών μελών που φέρουν τοπική αρχική ατέλεια με την μορφή κοιλώματος (τοπικής κύρτωσης λόγω επιβολής εγκάρσιου εξωτερικού φορτίου) στο τοίχωμά τους υπό την επίδραση θλιπτικού αξονικού φορτίου, καμπτικού φορτίου και συνδυασμού αυτών. Αρχικά παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία και τα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξήχθησαν από το Veritas Offshore Technology and Services στο Όσλο, όπως περιγράφονται στις εργασίες των Landet (1987) και Taby (1986). Στα πειράματα αυτά μελετάται η επίδραση του βάθους της τοπικής αρχικής ατέλειας στην οριακή αντοχή σωληνωτών μελών. Τα σωληνωτά αυτά μέλη χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο ως μέλη θαλάσσιων σωληνωτών εξεδρών εξώρυξης πετρελαίου και φυσικού αερίου και υποβάλλονται συχνά σε θλιπτικά αξονικά και καμπτικά φορτία καθώς και σε συνδυασμό τους. Οι πειραματικές αυτές διαδικασίες προσομοιάζονται αριθμητικά με την χρήση μη γραμμικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων με την βοήθεια του υπολογιστικού προγράμματος ABAQUS. Κατά την προσομοίωση των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιούνται στοιχεία κελύφους και λαμβάνεται υπόψη η μη γραμμικότητα της γεωμετρίας και του υλικού καθώς επίσης και η αστάθεια του φαινόμενου της αστοχίας του κελύφους. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την υπολογιστική και από την πειραματική διαδικασία παρουσιάζονται σε κοινά διαγράμματα και γίνεται η σύγκρισή τους, η οποία είναι γενικώς επιτυχής. Στη συνέχεια της εργασίας γίνεται παραμετρική μελέτη στην οποία τα κυλινδρικά κελύφη υποβάλλονται σε θλιπτικό αξονικό φορτίο, σε καμπτικό φορτίο και σε συνδυασμού τους. Στη μελέτη αυτή εξετάζεται κατά πόσον το βάθος της τοπικής αρχικής ατέλειας του τοιχώματος, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κυλινδρικού κελύφους, το όριο διαρροής του υλικού, ο τύπος διείσδυσης κατά την δημιουργία της τοπικής αρχικής ατέλειας καθώς και η αλληλουχία της φόρτισης στην περίπτωση επιβολής και θλιπτικού αξονικού φορτίου και καμπτικού φορτίου επηρεάζουν την οριακή αντοχή και την συμπεριφορά του κελύφους. Η προσομοίωση του προβλήματος γίνεται αριθμητικά με την χρήση και πάλι του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Τέλος παρουσιάζεται η αναλυτική μέθοδος κατά EPR (Exxon Production Research Co.) υπολογισμού της οριακής αντοχής χαλύβδινων κυλινδρικών κελυφών που φέρουν τοπική αρχική ατέλεια στο τοίχωμά τους και υποβάλλονται σε θλιπτικό αξονικό φορτίο, σε καμπτικό φορτίο ή σε συνδυασμό τους. Η μέθοδος αυτή βασίζεται σε μια εξίσωση αλληλεπίδρασης αξονικής και καμπτικής έντασης και χρησιμοποιείται για τον αναλυτικό υπολογισμό της οριακής αντοχής των κυλινδρικών κελυφών που προσομοιώνονται αριθμητικά στην παραμετρική μελέτη. Τα αριθμητικά αποτελέσματα και οι αναλυτικοί υπολογισμοί αντοχής παρουσιάζονται σε κοινά διαγράμματα και συγκρίνονται.