大直徑玻璃鋼壓力容器強(qiáng)度分析

1、大直徑玻璃鋼壓力容器強(qiáng)度分析摘要哈爾濱樂普實(shí)業(yè)發(fā)展中心研發(fā)了長度9 m，內(nèi)徑460mm，工作壓力為 8.28MPa，側(cè)壁開直徑114mm孔的玻璃鋼壓力容器,是目前世界上直徑最大的反滲透膜殼。根據(jù)ASME規(guī)范的要求，產(chǎn)品需要在66°C介質(zhì)中疲勞循環(huán)10萬次后，通過6倍工作壓力的爆破檢驗(yàn)（50MPa）。采用ASME 規(guī)范指定的復(fù)合材料力學(xué)計(jì)算公式完成厚度計(jì)算和鋪層設(shè)計(jì)后，使用MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)補(bǔ)強(qiáng)鋪層進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整鋪層的模型容器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并通過了ASME認(rèn)證。關(guān)鍵詞：玻璃鋼壓力容器；側(cè)壁開孔；強(qiáng)度計(jì)算；MSC.

2、PATRAN；MSC.NASTRAN ASME標(biāo)準(zhǔn) 2 設(shè)計(jì)輸入2.1 殼體結(jié)構(gòu)和鋪層設(shè)計(jì)（圖1） 圖1 鋪層結(jié)構(gòu)圖使用ASME規(guī)定的計(jì)算公式分別計(jì)算了筒體厚度、開孔補(bǔ)強(qiáng)層厚度，據(jù)此設(shè)計(jì)的鋪層為：結(jié)構(gòu)層為54.5°螺旋纏繞，共計(jì)40層，每層厚1，纖維體積分?jǐn)?shù)75%。補(bǔ)強(qiáng)層采用0° (軸向)+90°(環(huán)向)纖維鋪層,總纖維體積分?jǐn)?shù)73%，0°纖維與90°纖維比例為1:2，厚度為120mm。開孔直徑114mm，纏繞完成后機(jī)械加工外形并開孔，加工孔底部的置口 。2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算采用的力學(xué)性能指標(biāo) 見表1項(xiàng)目數(shù)值環(huán)向抗拉強(qiáng)度MPa300軸向抗拉強(qiáng)度MP

3、a150環(huán)向彈性模量GPa25軸向彈性模量GPa12.5軸向彎曲強(qiáng)度MPa160面剪切強(qiáng)度MPa50垂直剪切強(qiáng)度MPa60剪切模量GPa7表1 環(huán)氧纏繞玻璃鋼管的主要力學(xué)性能指標(biāo)2.3 環(huán)氧玻璃鋼單向板的主要力學(xué)性能指標(biāo) 見表2 力學(xué)性能0°方向90°方向拉伸強(qiáng)度b /MPa90025拉伸模量454.5泊松比0.30.3剪切 /MPa50表2環(huán)氧玻璃鋼單向板的主要力學(xué)性能指標(biāo)2.3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求 安全系數(shù)取6，在設(shè)計(jì)壓力1200psi（8.28MPa）下,環(huán)向許用應(yīng)變?nèi)?.002。3 計(jì)算模型該壓力容器殼體由玻璃纖維布鋪成，兩端有擋環(huán)與殼體相連。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，將殼

4、體和擋環(huán)簡化成三維六面體體元，材料特性為各項(xiàng)異性材料，材料失效準(zhǔn)則采用層合板的蔡-希爾失效準(zhǔn)則和最大應(yīng)力準(zhǔn)則。根據(jù)結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，建立半模進(jìn)行分析。約束加在中間的對(duì)稱面上，只有軸向約束。計(jì)算模型見圖2 圖2 計(jì)算模型剖視圖4 計(jì)算結(jié)果6×1200psi壓力下的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算結(jié)果見圖4。圖3最大主應(yīng)力云圖（最大值332Mpa）圖4 最小主應(yīng)力云圖（最小值：-475Mpa）圖5 最大主應(yīng)變?cè)茍D（最大值：0.0192）圖6 最小主應(yīng)變?cè)茍D（最小值：-0.0233）5 強(qiáng)度校核選取中間圓柱區(qū)域采用解析解法進(jìn)行計(jì)算。解析法求解計(jì)算表 見表3位置壓強(qiáng)Q/MPa外徑R/mm內(nèi)徑r/mm徑向位置

5、b/mm軸向應(yīng)力dm/MPa環(huán)向應(yīng)力dt/MPa徑向應(yīng)力dr/MPa149.644278230230107.7004265.044949.644249.644278230243.3333107.7004248.274132.87319349.644278230256.6667107.7004234.048418.6475449.644278230270107.7004221.87776.4768549.644278230278107.7004215.40090表3 解析計(jì)算結(jié)果 圖7 局部單元應(yīng)力張量通過比較可知數(shù)值模型解與解析解誤差很小，可以認(rèn)為數(shù)值解法是正確的，模型模擬的比較真實(shí)。由圖36

6、可知，在中間段處應(yīng)變?yōu)?.01，在設(shè)計(jì)壓力下應(yīng)變?yōu)?.01/6=0.0017<0.002。局部應(yīng)力較高，下面對(duì)兩處高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行強(qiáng)度校核：分別采用蔡-希爾失效準(zhǔn)則和最大應(yīng)力準(zhǔn)則對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。蔡-希爾失效準(zhǔn)則：；區(qū)域1：圓孔處選擇最大應(yīng)力處單元抽取局部應(yīng)力圖8 圓孔處最大壓應(yīng)力云圖圖9 圓孔處最大拉應(yīng)力云圖區(qū)域2：端頭擠壓區(qū)選擇最大應(yīng)力處單元抽取局部應(yīng)力圖10 端頭擠壓區(qū)最大壓應(yīng)力圖11 端頭擠壓區(qū)最大拉應(yīng)力區(qū)域3：中間段選擇最大應(yīng)力處單元抽取局部應(yīng)力 圖12 中間段最大拉應(yīng)力表4強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果（蔡-希爾強(qiáng)度準(zhǔn)則）位置圓孔受壓區(qū)-19552.321.8300厚度向300600.70受拉區(qū)11

7、92747.8150300600.04缺口受拉區(qū)2011461.4150300600.73受壓區(qū)-39.4-92.89.8150300600.03中間段受拉區(qū)1002460150300600.03注：當(dāng)K大于等于1時(shí)破壞。 表4強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表5強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果（最大應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則）位置圓孔受壓區(qū)-19552.321.8300厚度向300600.65受拉區(qū)1192747.8150300600.92置口受拉區(qū)2011461.4150300601.34受壓區(qū)-39.4-92.89.8150300600.31中間段受拉區(qū)1002460150300600.82注：當(dāng)K大于等于1時(shí)破壞。 表5 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表6

8、 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果（最大應(yīng)變強(qiáng)度準(zhǔn)則）位置應(yīng)變?cè)S用值圓孔0.010.002*60.83缺口 0.0190.002*61.58中間段0.010.002*60.83注：當(dāng)K大于等于1時(shí)破壞。 表6強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果6 根據(jù)計(jì)算進(jìn)行的改進(jìn)和檢驗(yàn)結(jié)果根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)進(jìn)行了下述改進(jìn)：（1）缺口內(nèi)壁處增加鋪放4層0°鋪層；以減小缺口處變形量（2）直徑114mm開口嵌入件內(nèi)部端頭與內(nèi)壁接觸面積增大一倍。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)其他部位結(jié)構(gòu)和鋪層進(jìn)行了調(diào)整，并進(jìn)行了10萬次疲勞和6倍工作壓力下的爆破試驗(yàn)，爆破壓力達(dá)到了55MPa, 通過了ASME力學(xué)性能檢測(cè)的要求，同時(shí)驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。7 結(jié) 語作為復(fù)合材料力學(xué)計(jì)算的簡易工具，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN非常好的模