فهرست مطالب

مقدمات و کلیات   :   ۱
تاریخچه مطالعاتی:   ۲
بیان مسئله:   ۳
سه حالت فوق عبارتند از:   ۴
اهداف مطالعاتی :   ۴
اهمیت مطالعاتی:   ۴
اصطلاحات :   ۵
مرور مطالعاتی :   ۵
ضربه قوچ :   ۱۱
عوامل ایجاد کننده ضربه قوچ عبارتند از:   ۱۲
را ههای کنترل ضربه قوچ :   ۱۲
استفاده ازچرخ طیار- چرخ لنگر-(Fly Weel  ) :   ۱۳
شیرهای هوا در ارتفاعات  (  Air Valves  ):   ۱۴
مخازن موج گیر (  Surge  Tank  ):   ۱۴
انواع مخازن ضربه گیر :   ۱۵
استفاده از لوله کنار گذر ( By Pass ) :   ۱۵
استفاده از شیرهای اطمینان یا تنظیم فشار :   ۱۶
محفظه های هوا (   Air vessel ):   ۱۶
استفاده ازمخزن ضربه گیر در ایستگاههای پمپاژ:   ۱۷
پرسش تحقیق:   ۱۹
طرح تحقیق :   ۲۰
فن تحقیق:   ۲۰
طرح تحلیلی :   ۲۰
طرح زمان اجرایی:   ۲۰
روش کلی تحلیل اجزاء محدود :   ۲۱
تحلیل صفحه تا شده با المان مستطیلی ( چهار گرهی  ):   ۲۸
محیط های پیوسته با محور تقارن :   ۲۹
تبدیل واحد فشار  :   ۳۱
فشار داخل مخزن                    ۲۰ atm
مشخصات مخزن ضربه گیر  :   ۳۱
هندسه سازه :   ۳۲
المان بندی :   ۳۴
حال چگونه المان بندی کنیم :   ۳۴
شرایط مرزی تکیه گاهی :   ۳۶
تجزیه و تحلیل ( LOAD CASE  ):   ۳۶
استنتاج:   ۴۰
منابع و ماخذ  :   ۴۱

منابع و ماخذ  :

۱        –  روش المان محدود

_ تالیف پروفسور . س. راکی – – دکتره . ر. ایونس

  _  مهندس د. وگرینس  – دکتر د.ا . ندو کوت

    ۲essel      handbook   –   pressure  publishing      inc

     p.o .box     ۳۵۳۶۵,Tulsa, ok

 ۳  –  تحلیل اجزاء محدود          جی . ای . اکین

                      ترجمه   :            دکتر مسعود مفید

                                                دکتر ابو الحسن وفایی

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

بخش هایی از متن این مقاله :

مقدمات و کلیات   :

این تحقیق در نظر دارد تحلیل استاتیکی یک مخزن ضربه گیر را به روش المان محدود برسی کند و با توجه به حد اقل  سه حالت آب وهوا در داخل مخزن نیرو های وارد به مخزن و تنش های مختلف را بررسی و نقاط ضعف و قوت در جداره مخزن را در حالت استاتیکی مشخص نماید

تاریخچه مطالعاتی:

        در خصوص مخاذن ضربه گیر شرح مختصری ارائه می گردد.  مخازن ضربه گیر معمولاً در شرکت ماشین سازی اراک ساخته می شوند و با در نظر گرفتن میزان ضربه قوچ حجم آب و هوای داخل  طراحی میگردد .  بطوریکه حجم آب آنقدر زیاد نباشد  که باعث عدم نوسان ( خاصیت میرا کنندگی ) شود و یا آن قدر کم که پس از تزریق آب به خط ا نتقال باعث هواگیری پمپ های مسیر گردد .   در نتیجه بهترین حالت آن است که موارد فوق رعایت شود از  طرفی حجم آب بیشترین حالت ممکن خود باشد .  تا آنکه بتواند  ضربه را بهتر میرا  کند به عبارتی خاصیت میرا کنندگی آن بالا  باشد . مخازن ضربه گیر با  توجه  به  میزان توانایی خنثی نمودن  ضربه  در حجم های  مختلف ساخته  می شوند . گاهی  بدلیل عدم  امکان استفاده مخزن  به  دلیل  ابعاد  آن به  مخازن  کوچکتر  و در کنار هم  بر  روی خط  انتقال در انتهای ایستگاه های پمپاز نصب می گردد . سطح آب موجود در این مخازن بایستی مرتب کنترل گردد  و  میزان  آب  موجود  در مخزن کمتر از میزان تعیین  شده  نباشد به دلیل  آنکه  باعث هواگیری پمپ ها شده و شروع به  کار مجدد پمپ ها را سخت تر می کند . معمولا  با  نصب این مخازن در انتهای  خطوط  از تخریب اتصالات انتهای  خط  جلو گیری  به  عمل  می آید و ضربات قوچ توسط نوسانآب و هوای فشرده در این مخازن خنثی می شود .

بیان مسئله:

     مسئله مورد برسی تحلیل استاتیکی  یک مخزن ضربه گیر می باشد . در این خصوصا علاوه  بر آن که بایستی مخزن متحمل ضربات وارد شونده آب بر اثر بر گشت وایجاد ضربه قوچ شود بلکه بایستی خللی در روند کار پمپ های خط  نیز ایجاد ننماید همچنین   بایستی  متحمل  تنشهای ایجاد شده  بدنه  مخزن بدلیل  حالت استاتیکی مخزن  با  محتوای آب و هوای فشرده بگردد. حال از روش المان محدود که یک روش کاملا شناخته شده برای آنالیز تنش در سازه است می بایست استفاده گردد که این امر مسئله ای است که محقق قصد دارد به آن بپردازد .

فرضیات:

            فرضیات تحقیق به علت ا ینکه در پی رد یا قبول فرضیات می باشیم دارای پایگاه اثباتی می باشد . با توجه به عنوان تحقیق فرضیات ذیل طرح و مورد برسی قرار می گیرد

        فرض اول : مخزن در حالت سکون و حاوی آب و هوای تحت فشار باشد .

    فرض دوم : ما می خواهیم در سه حالت مختلف ایستگاهی مخزن را مورد برسی  قرار دهیم و تنشهای وارده بر اثر نیروهای داخلی مخزن در حالت استاتیکی آن را مورد برسی قرار دهیم ..

سه حالت فوق عبارتند از:

      حالتی که حداکثر هوا در داخل مخزن وجود داشته باشد.  حالتی که حداکثر آب در داخل مخزن باشد . و حالتی که آب و هوا به یک نسبت مساوی در مخزن وجود داشته باشند . حال برای رسیدن به یک نتیجه کلی که در بر گیرنده سه حالت فوق باشد ، بحرانی ترین حالت را در نظر می گیریم. چون در هر یک از سه حالت فشار درونی بین  ۱۹  الی  ۱۹٫۶  می باشد ما با یک فشار دست بالا (( ۲۰  atm  درونی محاسبات را انجام و نتایج  را در این حالت برسی می کنیم که مطمئنا سه حالت مطرح شده بحرانی تر ازاین سه حالت نخواهد شد .

اهداف مطالعاتی :

           اهداف این تحقیق رسیدن به یک مدل کامل و سالم از مخزن تحت فشار و سپس با داشتن اطلاعاتی از جمله شرایط تکیه گاهی (شرایط مرزی ) مخزن همچنین مقدارو حالتهای نیروهای استاتیکی وارده به سازه ، قصد رسیدن به مقادیر تنش در نقاط مختلف سازه را داریم در نهایت می توان گفت که هدف این تحقیق کوشش برای استفاده از اجزاء محدود در آنالیز تنش در این سازه می باشد.

اهمیت مطالعاتی:

       اگر این تحقیق به انجام برسد نتایجش به عنوان یک کار المان محدود و به عنوان یک تجربه در این زمینه برای محقق ارزشمند می باشد اما برای یک نتیجه کلی راجع سازه ازنظر آنالیز تنش موجود در آن و رسیدن به یک طرحی کاملا منطقی  مسلما    بارگزاری استاتیکی  کافی نمی باشد و مخزن  باید  تحت بارگزاری دینامیکی برسی شود و همچنین مودهای ارتعاشی آن محاسبه شود که این کارها مستلزم انجام یک سری تست ها و آزمایش علمی خواهد بود . البته در تحقیق انجام شده در صورت دسترسی آن می توان طیف و همچنین توزیع مقادیر تنش را در نقاط مختلف تنش ملاحظه کرد.

اصطلاحات :

           مخزن ضربه گیر : در ایستگاههای پمپاژجهت مقابله با ضربه قوچ از مخازن ضربه گیراستفاده می شود . این مخازن محفظه استوانه ای با سر پوش کروی (عرقچین) هستند  که داخل آن دو نوع سیال (آب و هوا) تحت فشار قرار دارد که در هنگام بر گشت موج آب ازارتفاع خطوط لوله با آن مقابله نموده و از ایجاد ضربه قوچ جلو گیری می کند.

        ضربه قوچ :  چکشابی در خطوط لوله جریانهای تحت فشاریا مجاری باز حادث می شود که اصطلاح انگلیسی آن ( water Hameer)  می با شد. ضربه قوچ بعلت تغییر سرعت  در جریان سیال شده و در بالا دست محل یا پایین دست آن ایجاد فشار منفی یا مثبت گرد

مرور مطالعاتی :

         کامپیوتر به صورت ابزار تحلیل معمولی برای مهندسان در آمده است از این وسیله معمولا در حل معادلات دیفرانسیلی که در مهندسی با آنها سرو کار دارند . استفاده می شود دو روش بسیار معمولی که در حل این مسائل به کار می رود عبارتند از روشهای تفاضل محدود و روشهای اجزائ محدود . در هر دو روش مجموعه ای از معادلات جبری جایگزین معادلات دیفرانسیل اصلی می شود . اکنون مقا یسه مختصری بین این دو روش به عمل می آوریم .

         روش تفاضل محدود قدیمی تر بوده و بهتر درک می شود . معمولا تحلیل را را با تحلیل ناحیه  مورد نظربه صورت شبکه گروه هایی که به فاصله یکنواخت از هم قرار کرفته اند شروع  می کنند ، در هر یک از این گروهها هر مشتق را در معادلات دیفرانسیل حاکم توسط عبارتی جبری که به نقاط گرهی مجاور مربوط می شود تقریب می زنند .

            دستگاه های معادلات جبری را با محاسبه عبارتهای بالا در هر یک از گروههای شبکه به دست می آورند . آن گاه دستگاه معادلات را برای مقدار متغیر وابسته در هر گره حل می کنند . روش اجزائ محدود ابزار تحلیلی عددی عملی و مهمی است و تقریبا در تمام سطوح مهندسی روش المان محدود در واقع حالت گسترش یافته روش های تحلیل معمولی قاب ها به سازه های دو و سه بعدی نظیر صفحات و پو سته ها می باشد . این روش توسط پیشگامان صنعت هواپیمایی که احتیاج مبرمی به تحلیل دقیق سازههای پیچیده داشتند ابداع گردید. ازسال ۱۹۵۰ به بعد دسترسی به کامپیوترهای دیجیتالی اتوماتیک به پیشرفت های سریع روش های ماتریسی کمک فراوان نموده است.

ایده الی کردن محیط های پیوسته ارتجاعی با استفاده از المان های یک بعدی در سال ۱۹۴۱ توسط ( Hrennikoff ) انجام شده و در سال ۱۹۴۳(Mchenry ) مسائل ارتجاعی صفحه ای را با استفاده از تشابه شبکه ها (Lattice) مورد مطالعه قرار داد. Newmark صفحات را با استفاده از سیستمهای شبکه بندی شده qrillage    و Parikh & Norris  پوسته ها را با استفاده از تشابه آنها با خرپاهای فضایی مورد برسی قرار داده اند . فرمول سازی روش تحلیل ماتریسی سازه ها و بخصوص ابداعات ( Argyris ) اساس بسط روش های المان های محدود توسط Clough  و همکارانش بود .

مشابه روش های تحلیل عمومی قاب ها مفاهیم اساسی روش المانهای محدود نیز بر اساس مطالعه سازه ها به صورت مجموعه ای ازسازه ها استوار است. در تحلیل ماتریسی سازه ها ، یک سازه به اجزائ محدود تقسیم می شود که در نقاط محدودی موسوم به (( نقاط گرهی )) به همدیگر اتصال دارند . با توجه به اینکه اسکلت های ساختمانی شامل اعضای خطی اتصال یافته در گره ها می با شند ، لذا عمل تقسیم بندی به صورت طبیعی انجام شده و این چنین سازه ای  را می توان بلا فاصله با استفاده از روش های ماتریسی مورد تجزیه و تحلیل قرار داد .

 در سازه هایی نظیر یک صفحه مستوی  که از یک محیط پیوسته تشکیل شده است ، تقسیم بندی طبیعی موجود نبوده و بنابر این قبل از این که روش ماتریسی تحلیل در مورد آن قابل اجرا باشد . صفحه باید  به صورت مصنوعی به تعداد المان تقسیم گردد .

این المان های مصنوعی که به ((المان های محدود )) یا (( المان های مجرئ )) موسومند . عموما به شکل های مثلثی و مستطیلی انتخاب می شوند .

المان های محدود صرفا قطعات بریده شده از سازه نبوده بلکه یک نوع المان های ارتجاعی هستند و تغییر شکل آن ها  طوری مفید گردیده که پیوستگی کلی مجموعه حتی الا مکان حفظ شود . بنابر این تحلیل یک محیط پیوسته با تحلیل یک اسکلت ساختمانی از دو نظر اساسی فرق پیدا می کند .

           یکی تقسیم بندی اولیه به المان ها و دیگری تعیین  خصوصیات ماتریس سختی المان ، ایده آلی نمودن توسط المان های محدود طبیعتا طوریست که دقت حل عموما با زیاد شدن تعداد المان ها افزایش پیدا می کند ، لیکن باید خاطر نشان نمود که همزمان با بالا رفتن تعداد المان ها زمان لازم کامپیوتر برای حل نیز افزایش یافته و در نتیجه به هزینه تحلیل افزوده می شود . در تحلیل بعضی از سازه ها ، ممکن است تقسیم بندی محیط پیوسته به المان هایی که دارای بعد مختلف هستند صورت گیرد. این امر باعث دقیق تر شدن مطالعه ناحیه هایی از سازه می گردد که انتظار می رود .

در آنها تمرکز تنش به وجود آید. انواع المان های محدود در دسترس قرار دارد که هر کدام از آنها مزایای مخصوص خود را دارند . المان های که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند المان های مثلثی و المان های مستطیلی می با شند . این المان ها برای تحلیل بسیاری از مسائل الاستیسیته ، خمش و پوسته ها مناسب است . در سازه ای نظیر یک سازه مستوی که از یک محیط پیوسته تشکیل شده است . تقسیم بندی طبیعی موجود نبوده و بنابر این قبل از اینکه روش ماتریسی تحلیل در مورد آن  قابل اجرا باشد ، صفحه باید به صورت مصنوعی به تعدادی المان تقسیم گردد . این المان های مصنوعی که به المان های محدود یا المان های مجزا موسومند عموما به شکل های مثلثی و مستطیلی انتخاب می شوند . در واقع این المان ها در طول مرز مشترک خودشان به همدیگر متصل هستند . به منظور ممکن ساختن تحلیل ، با استفاده از روش تحلیل ماتریسی سازه ها ، در مورد المان های ساده فرض بر این است که المان های مزبورفقط در گره ها به هم متصل شوند. قبول این فرض به این معنی است که شرایط پیوستگی در کناره های المانها ، سازه ها را به صورتی انعطاف پذیر تر از آنچه هست در می آورد . به هر حال در روش های المان محدود تغییر شکل هر کدام از المان ها به یک شکل خاص مشخص می شود بنابر این هر چند پیوستگی فقط در نقاط مشخص شده گره ای مشخص ارضاء می شود، لیکن با انتخاب تغییر شکل مناسب برای اعضای پیوستگی در تمام یا  لا اقل قسمتی از کناره های المان مجاور هم اقنا می گردد.