Analytical and Numerical Analysis of Cylindrical and Spherical Pressure Vessels with Small-Diameter Nozzles. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF PhD_Dissertation_Final_26_May_2015.pdf Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

انه في معظم الحالات، يتم استخدام نظرية القشريات في تحليل الضغط عند مناطق اتصال الفتحات والتي تشكل مصادر محتملة للضعف نتيجة للتركيزات العالية للإجهادات. هناك أساليب تحليلية دقيقة متاحة للفتحات في الأوعية الكروية. ومع ذلك، فهي غير صالحة للأغراض العملية للتصميم إلا عن طريق التقريب. المشكلة تتزايد في حالة الفتحات في الأوعية الاسطوانية لأنها عالية التعقيد وغير قابلة للتحليل بشكل مفيد للتصاميم العملية، كما ان حلول التحليلية للقشريات المتاحة ليست دقيقة. وعلاوة على ذلك، فانه لكلا من الاوعية الكروية والأسطوانية، تعتبر هذه الحلول غير قابلة عندما تكون ترتيب الفتحات لا يتناسب مع فرضيات القشريات الدقيقة. وهذه تنشأ عندما تكون الحاجة إلى تحليل الاوعية الكروية والاسطوانية عند الفتحات ذات القطر الصغير. ومرة أخرى، فان معظم التحليلات المتاحة في الابحاث السابقة كانت مركزة على تقييم الاجهادات للأوعية ، مع اهتمام ضئيل أو معدوم إلى اجهادات الفتحات. وقد أشار العديد من الباحثين الى هذا النقص في النهج، ولكنه لم توجد الى الان دراسات تبحث في وقت واحد سلوك الإجهادات في كلا من الاوعية و عند الفتحات. هذا العمل البحثي يقوم على التطوير والدراسة لنماذج حل FEM (بحيث تكون صالحة لأي فتحة وباي قطر) ولعدم استمرارية الاجهادات في الأوعية الكروية والأسطوانية. تم استخدام نظريتين مختلفتين، نظرية القشريات والمرونة، لحل مشكلة الاوعية التي تتقاطع معها فتحات ذات قطر بين متوسطة وكبيرة وفتحات ذات قطر الصغير، على التوالي. حيث تم دراسة الدقة للتحليل التقريبي لحلول القشريات الكروية بالعلاقة مع FEM. وتم الايضاح ان النموذجات المطورة كان أدائها أفضل بمقارنتها من تلك الموجودة وذلك باعتبار احتمالية الاجهادات الحرجة الموجودة في الفتحات والاقتصار في دراسة اجهادات الاوعية الرئيسية. وتم تطوير مخططات لتصميم الاوعية مع فتحات بين متوسطة وكبيرة القطر و تم مناقشتها مع تلك ذو الفتحات الصغيرة القطر وذلك لإنتاج مخططات تصميم عامة وصالحة للأي فتحة وللأي قطر ممكن. وخلافا للشائع في الابحاث السابقة تم عرض المخططات البيانية المتقدمة لتمثيل الموقع الأقصى للإجهادات عند نقاط الاتصال. بالإضافة إلى ذلك أنها توفر عرضا بديل لقيم SCF التي يعتقد أنها تكون أكثر دقة وشمولية من رسومات ρ-SCF الاعتيادية. أخيرا، وضعت تحاليل ونماذج تجريبية ل SCF للمناطق حول نقاط اتصال الاوعية مع الفتحة. النتائج التي تم التوصل لها في هذه الدراسة تشكل قاعدة بيانات كبيرة والتي كانت مفقودة في المجموعة الابحاث السابقة. وبالتالي، تصبح في متناول الايدي لاحتمال استخدامها من قبل أي باحث آخر في الدراسات المستقبلية.

English Abstract

In most cases, shell theory is used in analyzing pressure vessel-nozzle junctures as regions that constitute potential sources of weakness as a result of the high stress concentrations developed. Exact analytical methods are available for spherical vessel-nozzle intersections. However, they are unfit for practical design purposes unless when approximated. The problem is compounded in the case of cylindrical vessel-nozzle junctures because, coupled with the high level of complexity and non-readiness for handy analysis of practical design problems, the available analytical shell solutions are not exact. Furthermore, for both the spherical and cylindrical vessels, these solutions seize to hold when the nozzle configuration violates the thin shell assumption. This raises a concern when a need arises to analyze spherical and cylindrical vessels intersected by small-diameter nozzles. Again, most of the analyses available in the literature concentrate on evaluating the vessel stresses, paying little or no attention to the nozzle. Many researchers have pointed out the shortcoming of such approach, yet no studies have been dedicated to report, simultaneously, a comprehensive behavior of both the vessel’s and nozzle’s stresses in their analyses. This research work develops and studies FEM solution models (valid for any nozzle diameter) of discontinuity stresses in spherical and cylindrical vessels. Two different theories, the shell and the elasticity theories, are used to solve the vessel problem intersected by moderate-to-large-diameter nozzles and small-diameter nozzles, respectively. Adequacy of the approximate analytical solutions for the spherical shells relative to the exact and FEM solutions is also studied in the analysis. Illustrations are made on how the developed models perform better than many existing ones in terms of consideration of the possibility of critical stresses existing in the nozzles rather than only in the main vessel. Design charts are developed for the vessels with moderate-to-large-diameter nozzles and augmented by those with small-diameter nozzles to yield the overall design charts valid for any possible nozzle dimension. Contrary to the common practice in the literature, the developed charts are presented in such a way to depict the location of maximum stresses on the juncture. In addition, they provide an alternative presentation of the SCF values that are believed to be more accurate and all-encompassing than the conventional ρ-SCF plots. Finally, handier analytical and empirical closed-form SCF models for regions around the vessel-nozzle intersections are developed. The results generated in this study form a large database that has been missing in the previous collection of literature. Hence, it becomes handy for possible usage by any other interested researcher for future studies.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering Engineering Mechanical
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Qahtani, Husain
Committee Members:	Sharif, Al-Farabi and Zaman, Fiaz and Al-Gadhib, Ali and Sunar, Mehmet
Depositing User:	FAISAL MUKHTAR (g200901510)
Date Deposited:	08 Jun 2015 12:07
Last Modified:	01 Nov 2019 15:46
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139571