Research of maximum stresses zones in circular perforated plates made of S235JR steel loaded with concentrated force

• Autorzy: Konieczny Mateusz , Achtelik Henryk , Gasiak Grzegorz

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2019.2.4

Warianty tytułu

PL

Badanie obszarów maksymalnych naprężeń w okrągłych płytach perforowanych ze stali S235JR obciążonych siłą skupioną

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper proposes a numerical approach to determining the internal forces in a circular perforated plate loaded with concentrated force Pi applied in the geometric centre of the plate. The finite element method program Femap was used for numerical calculations. The test plate with diameter D = 300 mm has holes in ten circles. The plate made of S235JR steel has holes with diameter d1 = 3.5 mm on the first inner circle, and holes on the tenth outside circle have a diameter d10 = 20.5 mm. The plate of the above geometry was simply supported and loaded with different values of concentrated force. By means of numerical calculations using the finite element method, the coordinates of concentration zones of reduced stress in the perforated plate were determined. These zones were located on the plate bridges between perforation holes. The most hazardous place in the analysed perforated plate is associated with the 8 zone with the hole radius d3 = 5.0 mm at the circle radius R3 = 33.0 mm, where the highest stress concentration occurs. In this zone, the reduced stress is σred max = 217.20 MPa (point with the coordinates x, y, z [mm], i.e. P2[5.2; 30.6; 4.5]). The results of numerical calculations were verified with experimental results. The differences between the results of numerical calculations of the state of stress and those obtained experimentally did not exceed 10%.

PL

Współczesne konstrukcje inżynierskie charakteryzuje obniżenie współczynnika bezpieczeństwa, dlatego obliczenia wytrzymałości, sztywności i stateczności cienkościennych elementów konstrukcji nabierają coraz większego znaczenia we wszystkich gałęziach techniki, a szczególnie takich jak inżynieria chemiczna. Istnieje wiele zastosowań płyt perforowanych, np. w zbiornikach ciśnieniowych, aparaturze chemicznej (ściany sitowe wymienników ciepła), rafineriach ropy naftowej, budowie samolotów i statków kosmicznych, jednostkach powietrznych, robotach, kontenerach transportowych, taśmociągach skrzynkowych lub jako elementy przesiewaczy materiałów sypkich, które mogą być poddane obciążeniu zmieniającemu się w czasie. Tego typu dźwigary (płyty perforowane) mogą również pełnić rolę płyt montażowych, w których wykonano otwory z różnych względów eksploatacyjnych. Celem pracy jest lokalizacja stref, w których występują maksymalne naprężenia w okrągłej osiowosymetrycznej płycie perforowanej swobodnie podpartej i obciążonej siłą skupioną Pi przyłożoną w środku geometrycznym płyty. Badania obszarów koncentracji naprężeń wykonano numerycznie metodą elementów skończonych.

Słowa kluczowe

EN

circular perforated plate; S235JR steel; concentrated force; reduced stress; numerical calculations; experimental research

PL

okrągła płyta perforowana; stal S235JR; siła skupiona; naprężenia redukowane; obliczenia numeryczne; badania eksperymentalne

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 40, nr 2
• Strony: 53--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Konieczny Mateusz

• Opole University of Technology, Department of Mechanics and Machine Design, Opole

autor

Achtelik Henryk

• Opole University of Technology, Department of Mechanics and Machine Design, Opole

autor

Gasiak Grzegorz

• Opole University of Technology, Department of Mechanics and Machine Design, Opole

Bibliografia

• [1] Chudzik A., .Świniarski J.: Effect of changes in the thickness of a perforated plate of the heat exchanger on its structural stability. Journal of Theoretical and Applied Mechanics 42 (2) (2004) 325÷334.
• [2] Chudzik A., Niezgodziński T.: Badanie płyt perforowanych z wtłoczonymi rurkami. XIX Sympozjum Mechaniki Eksperymentalnej Ciała stałego, Jachranka (2000) 410÷415.
• [3] Niezgodziński M. E.: Obliczenia grubości ścian sitowych w zbiornikach ciśnieniowych. Przegląd Mechaniczny 3 (1973) 102÷105.
• [4] Saraçoğlu M., Albayrak U.: Linear static analysis of perforated plates with round and staggered holes under their self-weights. Research of Engineering Structures and Matirials 1 (1) (2015) 39÷47.
• [5] Bhattacharya A., Venkat R.: Peak stress multipliers for thin perforated plates with square arrays of circular hole. Int. J. Pres. Ves and Piping 80 (2003) 379÷388.
• [6] Watsar S. D., Bharule A.: Stress analysis of finite plate with special shaped cutout. International Journal of Scientific Engineering and Research IJSER 3 (4) (2014) 145÷150.
• [7] Bhattacharya A., Venkat Raj V.: Yield surfaces for perforated plates with square arrays of holes. Nuclear Engineering and Design 231 (2004) 219÷233.
• [8] Cepkauskas M. M., Yang J.: Equivalent properties for perforated plates — an analytical aproach. 18th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT 18) Beijing, China (2005) 1225÷1235.
• [9] Achtelik H., Gasiak G., Sojka M.: Topografia trwałości zmęczeniowej kwadratowych płyt perforowanych przy obciążeniach cyklicznych. XXI Sympozjum Zmęczenie i Mechanika Pękania, Bydgoszcz–Pieczyska (2006) 13÷21.
• [10] Meijers P.: Refined theory for bending and torsion of perforated plates. Journal of Pressure Vessels Technology 108 (1986) 425÷429.
• [11] Marne R. A.: Stress analysis of a perforated plate through experimental and computational methods. International Engineering Research Journal (IERJ) 1 (6) (2015) 482÷487.
• [12] Ledwoń W., Achtelik H.: Experimental analysis of the state of stress of the axisymetric perforated plateds loaded with hydrostatic presure. Proceedings of the 13th International Scientific Conference (2016) 331÷341.
• [13] Baaijens F. P. T., Brekelmans W. A. M., Van Rens B. J. E.: Homogenization of the elastoplastic behavior of perforated plates. Computer and Structures 69 (1998) 537÷545.
• [14] Yang Quing-Shend, Becker W.: Effective stiffness and microscopic deformation of an orthotropic plate containing arbitrary holes. Computers and Structures 82 (2004) 2301÷2307.
• [15] Dharmin P., Khushbu P.: A review on stress analysis of an infinite plate with cut-outs. International Journal of Scientific and Research Publications 2 (11) (2012) 2250÷3153.
• [16] Minguez J. M., Vogwell J.: Plater with holes under laternal load pressure. Engineering Failure Analysis 4 (1998) 299÷315.
• [17] Shaterzadeh A., Behzad H., Shariyat M.: Stability analysis of composite perforated annular sector plates under thermomechanical loading by finite element method. International Journal of Structural Stability and Dynamics 18 (07) (2018) 1÷8.
• [18] Purba R., Bruneau M.: Finite element investigation and design recommendations for perforated steel plate shear walls. Journal of Structural Engineering 135 (11) (2009) 1367÷1376.
• [19] Jones D. P.: Finite element analysis of perforated plates containing triangular penetration patterns of 5 and 10 percent ligament efficiency. Journal of Pressure Vessel Technoloogy 97 (3) (2010) 199÷205.
• [20] Ukadgaonker V. G., Kale P. A.: Finite element stress analysis of tubesheets perforated by circular holes in square pitch pattern. Journal of Pressure Vessel Technoloogy 120 (1) (2008) 12÷16.
• [21] Atanasiu C., Sorohan St.: Displacements and stresses in bending of circular perforated plate. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 147 (2016) 1÷9.
• [22] Achtelik H., Gasiak G., Grzelak J.: Strength tests of axially symmetric perforated plates for chemical reactors: Part 1—The simulation of stress state. International Journal of Pressure Vessels and Piping 85 (2008) 248÷256.
• [23] Achtelik H., Gasiak G., Grzelak J.: Strength tests of axially symmetric perforated plates for chemical reactors: Part 2 — Experiments. International Journal of Pressure Vessels and Piping 85 (2008) 257÷264.
• [24] Achtelik H., Gasiak G., Grzelak J.: Wytężenie i nośność płyt perforowanych obciążonych osiowosymetrycznie. Studia i Monografie. Z. 171, Oficyna Wydawnicza PO, Opole (2005).
• [25] Al-Hassani S. T. S., Karmi K., Webb D. C.: Use of FEM in performance assessment of perforated plates subject to general loading conditions. International Journal Presure Vesels and Piping 64 (1995) 137÷152.
• [26] El-Sawy K. M., Nazwy A. A., Mautini M. J.: Elasto-plastic buckling of perforated plates uniaxial compression. Thin-Walled Structures 42 (2004) 1083÷1101.
• [27] Andh U., Chavan S., Kulkarni S., Khurd S.: Stress analysis of perforated plates under uniaxial compression using FEA and photoelasticity. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) 3 (11) (2016) 239÷244.
• [28] Ledwoń W.: Numerical analysis of stress state and sag perforated plates loaded pressure introduction. Logistyka 4 (2014) 9391÷9396.
• [29] Gasiak G., Ledwoń W.: Analiza numeryczna stanu naprężenia i ugięcia płyt perforowanych obciążonych siłą skupioną. Górnictwo odkrywkowe 55 (4–5) (2014) 250÷253.
• [30] Gasiak G., Ledwoń W.: Stan naprężenia i przemieszczenia prostokątnych płyt perforowanych poddanych obciążeniu normalnemu. Konferencja Problemy rozwoju maszyn roboczych, Zakopane (2014) 69÷70.
• [31] http://www.gmsystem.pl/femap/.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).