真空壓力容器外筒體失穩(wěn)分析報告

1、 BD4706低溫液體槽車 外筒體的失穩(wěn)分析計算報告 張家港中集圣達因低溫裝備有限公司 2014年 2 月 目 錄 一、計算目的 . 2 二、設(shè)計及計算依據(jù) . 2 三、計算條件 . 2 四、有限元計算分析軟件的選取 . 3 五、低溫液體運輸車外罐的有限元分析計算 . 3 計算模型的建立 . 3 計算載荷的處理 . 6 邊界條件 . 6 應(yīng)力計算結(jié)果 . 7 特征值屈曲分析下外筒體的失穩(wěn)模態(tài). 7 失穩(wěn)臨界壓力結(jié)果 . 8 六、結(jié) 論 . 10 一、計算目的 我公司設(shè)計的BD4706型低溫液體運輸車，其基本結(jié)構(gòu)為具有內(nèi)、外圓筒的雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)容器貯存低溫液體，內(nèi)容器與外殼之間的夾層填充絕熱材料且

2、抽真空；內(nèi)容器與外殼之間通過八組環(huán)氧玻璃鋼支承。外殼通過墊板及前牽引支座、后支架鋼梁與車輛連接以方便運輸。 為了降低罐體重量，增加最大充裝量，提高車子運行時的經(jīng)濟性，對低溫液體運輸車的外筒體角鋼加強圈進行了新的布置。本計算報告對該型低溫液體槽車外罐的外壓穩(wěn)定性計算分析與比較，為該產(chǎn)品的安全及其進一步改進和優(yōu)化等提供了結(jié)構(gòu)有限元分析基礎(chǔ)。 二、設(shè)計及計算依據(jù) 1）GB1502011壓力容器 2）JB4732-1995 鋼制壓力容器 分析設(shè)計標準2005確認版 3）BD4706低溫液體槽車設(shè)計圖紙及技術(shù)條件 三、計算條件 低溫液體運輸車外容器的主要設(shè)計條件見下表，其他條件見設(shè)計圖紙及技術(shù)資料。其外

3、容器的三維示意簡圖見圖5-1 設(shè) 計 參 數(shù) 外 殼 設(shè)計壓力 MPa 工作壓力 MPa 計算壓力 MPa 設(shè)計溫度 -2050 工作溫度 -20貯存介質(zhì) LNG 腐蝕裕量 mm焊接接頭系主要受壓元件材料 Q345R 筒體幾何尺寸 mm 2486加強圈尺寸 mm 633容器類別 絕熱形式 高真空多層絕熱 致密性檢驗 氦檢漏 表3-1 BD4706低溫液體槽車外罐主要設(shè)計條件 四、有限元計算分析軟件的選取 本次計算采用ANSYS公司的有限元分析軟件 ANSYS做前后處理與分析計算。ANSYS是國際上最先進的大型通用有限元分析軟件之一，已廣泛地應(yīng)用于工程上的各種計算與分析。它除了可以進行一般的結(jié)構(gòu)

4、分析外，還可以進行熱分析、流體分析、電/磁場分析等多種物理場分析，以及熱-應(yīng)力分析、電磁-熱分析、流體-結(jié)構(gòu)分析、壓電分析等藕合場分析。 該計算程序已獲得全國壓力容器標準化技術(shù)委員會的認可，可以作為我國壓力容器設(shè)計計算的有限元應(yīng)力計算與分析軟件。 五、低溫液體槽車結(jié)構(gòu)的有限元分析計算 本次低溫液體槽車結(jié)構(gòu)的有限元分析計算只包括外罐筒體的臨界失穩(wěn)外壓計算，其他部件的計算見設(shè)計圖紙及常規(guī)計算書。 計算模型的建立 為了簡化計算和降低計算規(guī)模，同時又保證計算結(jié)果的可靠性，根據(jù)低溫液體運輸車的結(jié)構(gòu)，載荷和約束特點，有限元計算采用外殼的整體模型來建模，包括外筒體，外前封頭，外后封頭，L型角鋼加強圈。不包括

5、外罐其他附件結(jié)構(gòu)。 其中筒體、封頭采用三維殼單元，角鋼加強圈采用自定義截面的三維梁單元。 該外罐結(jié)構(gòu)共使用了12318三維殼單元(SHELL181)和3440個三維梁單元（BEAM188），共15758個節(jié)點，約萬自由度。針對加強圈與罐體，定義了三個截面類型（SECTYPE），分別對應(yīng)筒體，封頭，角鋼圈的截面。該外罐結(jié)構(gòu)的有限元實體及單元網(wǎng)格見圖5-1,5-2所示。 圖5-1 低溫液體運輸車外罐結(jié)構(gòu)的幾何模型示意圖 圖5-2 低溫液體運輸車外罐有限元計算模型單元網(wǎng)格圖 圖5-3 低溫液體運輸車外罐有限元計算模型單元網(wǎng)格圖 5. 2. 計算載荷的處理 導(dǎo)致低溫液體運輸車外罐失穩(wěn)的主要載荷為外殼承

6、受的大氣外壓P外。 在節(jié)特征值屈曲計算過程中取P外=，以均壓法向方式加在外殼表面。在節(jié)考慮初始缺陷的非線性屈曲計算過程中，取P外=，以均壓法向方式加在外殼表面。該值是節(jié)中特征值屈曲計算的結(jié)果。 邊界條件 為了防止在計算過程中出現(xiàn)剛體位移，選取若干節(jié)點，限制了罐體在圓周方向和軸向上的自由度。 圖5-3即為槽車外罐結(jié)構(gòu)加上P外載荷及位移邊界條件的有限元計算模型示意圖。 圖5-4 運輸車外罐結(jié)構(gòu)的載荷示意圖 應(yīng)力計算結(jié)果 ANSYS有限元軟件可用彩色云圖輸出結(jié)構(gòu)計算模型中的節(jié)點位移值、各種應(yīng)變及應(yīng)力值等。本次報告采用的應(yīng)力為第三強度理論中“應(yīng)力強度”。在外壓作用下外罐的應(yīng)力強度分布如下圖所示： 圖5

7、-5 外罐在P外壓力下的應(yīng)力強度分布（剖視圖） 由上圖可知，外罐在外壓作用下的最大應(yīng)力強度區(qū)分布在封頭過渡段內(nèi)表面，為，低于材料的許用應(yīng)力。并且該部件的設(shè)計計算及校核已由常規(guī)計算保證，這里不再展開應(yīng)力線性化評判。 特征值屈曲分析下外筒體的失穩(wěn)模態(tài) 本計算過程采用線彈性特征值屈曲分析以確定失穩(wěn)模態(tài)及臨界壓力。施加的載荷P外=。 特征值屈曲分析解是一項理論解，該分析方法得到的結(jié)果比考慮幾何非線性的屈曲分析得到的結(jié)果不保守。通常用該過程來獲得結(jié)構(gòu)的初始缺陷及非線性求解載荷，為后面的進一步分析作準備。 圖5-5 外罐的臨界載荷及失穩(wěn)模態(tài) 在特征值屈曲分析中，施加外壓p=，通過計算我們可以得到載荷因子：

8、 FACT = 4. 由此可知，外罐的特征值屈曲分析的臨界失穩(wěn)壓力： Pcr=， 失穩(wěn)時圓周方向波數(shù)為2。 失穩(wěn)臨界壓力結(jié)果 按節(jié)中的分析結(jié)果獲得結(jié)構(gòu)的幾何缺陷和載荷，該方法考慮了制造過程中產(chǎn)生的圓度誤差，更加貼近實際情況。施加的載荷為中所得到的臨界失穩(wěn)壓力Pcr=，施加的幾何缺陷量為節(jié)中計算得到的節(jié)點位移量的4倍。 選用弧長法進行迭代求解，設(shè)置初始子步為10，載荷以線性方式加載。經(jīng)過ANSYS的迭代求解及后處理的相關(guān)換算可得到下圖： 圖5-6幾何非線性屈曲分析的載荷-位移曲線圖，可以看出外殼結(jié)構(gòu)在外壓載荷約時筒體變形開始無限增大 結(jié)果集 時間步 載荷步 子步 時間步增量 39 1 340 1 441 1 442 1 443 1 444 1 445 1 446 1 447 1 448 55 表 非線性求解列表 根據(jù)圖5-6的曲線圖及非線性求解列表可知，載荷在第46個子步達到最大值，隨后的載荷-位移曲線圖呈下降趨勢?？?/p>