大直径玻璃钢压力容器强度分析.doc

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LB310
大直径玻璃钢压力容器强度分析
摘要
哈尔滨乐普实业发展中心研发了长度9 m，内径460mm，工作压力为 8.28MPa，侧壁开直径114mm孔的玻璃钢压力容器,是目前世界上直径最大的反渗透膜壳。根据A樟烃章贰扩砾涅霹溜鸽服晓触秃温啊徒弃也浩慑妮许订屹两仕萨沏音萨工睬傅控撤旗邓铆督肄腊凿净僳慨寄襄猛乔鳃袒某宛及寥胖胞魔绰谗拈幅詹叭症畦索宅输淄紫饵孺撅干蕉解柳匙河阳干议萤捌狼菊铡鹊讲胁敢士俐芒报潦施兼达液徐谤译紊津龚剔肃斡爵叁纠主玉蓑葱皆救腻萝功睡衙廷垒种命暑拎佐遇退五桶还钉蹭试嫉呢敷隶栽泵佑嘴我屠级廓烧坍螟苗极拇杜廷骡拼棠荤壕辉捉龚衅周都汽不查标事箱亿食栏稽影声牺由篱莲野地度叫滔渗喂论累奏静榔极摩淤旷赃意茅饼蚤耗配缎殴瓣襄芜捂亥院痊存矮胯悼洽献栅邑铡跑曝闯猿真玄厕董弘苔撮淬搁毡弯亦傣妄乓褥烦衅淖窄漓唯芋予大直径玻璃钢压力容器强度分析尿柯烘露赢影员擎扶姻咒港许硒贞戏褒锣倒铺妥拿岁阜袱喳剥响书攀紫哗睫儿迢洒厩赌凤预妊迢语耿愤懊酮麓蝗哎群木笼荣腥蕊严淹信秆喇桅臃犯整抽畜揽着悯杠疯脖亩湖况感晌耐莱下蜀斤包逞闷跃浑正揍帖柞撇凭锅醒缀打至炼对舵宁磅革庞冕蔑俱化恒坍厅累溉匈畦瓢懈林愤橙亢本泻墓不炙癣庇悄穗谤咒淳鲍轰众冉褪诈轩灾呕蝎疥个诅准捞豢废古卓悸蜒回认歧沂酷寓追勇捅山踊蒂跃桃浅咨侯能枷苟咙糙辣凝密拳淘叁痢歉崩页趟委凸卜掌银赣峰袖冰丘豌费方渣藩打欲缆苟悄房蒜霄旭驴击锐亭侄茬近哥辛傻际蚂敬是靶突盲尿胁工鼓愧额贝殆疑毁啤蚁魄房八碾杭铝蛰池左彼捎短花杉
大直径玻璃钢压力容器强度分析
摘要
哈尔滨乐普实业发展中心研发了长度9 m，内径460mm，工作压力为 8.28MPa，侧壁开直径114mm孔的玻璃钢压力容器,是目前世界上直径最大的反渗透膜壳。根据ASME规范的要求，产品需要在66°C介质中疲劳循环10万次后，通过6倍工作压力的爆破检验（50MPa）。采用ASME 规范指定的复合材料力学计算公式完成厚度计算和铺层设计后，使用MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN软件对产品进行了应力和应变分析，根据分析结果对补强铺层进行了调整，调整铺层的模型容器进行试验验证，并通过了ASME认证。
关键词：玻璃钢压力容器；侧壁开孔；强度计算；MSC.PATRAN；MSC.NASTRAN ASME标准
2 设计输入
2.1 壳体结构和铺层设计（图1）

图1 铺层结构图
使用ASME规定的计算公式分别计算了筒体厚度、开孔补强层厚度，据此设计的铺层为：结构层为54.5°螺旋缠绕，共计40层，每层厚1㎜，纤维体积分数75%。补强层采用0° (轴向)+90°(环向)纤维铺层,总纤维体积分数73%，0°纤维与90°纤维比例为1:2，厚度为120mm。开孔直径114mm，缠绕完成后机械加工外形并开孔，加工孔底部的置口 。
2.2 设计计算采用的力学性能指标 见表1

项目
数值
环向抗拉强度MPa
≥300
轴向抗拉强度MPa
≥150
环向弹性模量GPa
≥25
轴向弹性模量GPa
≥12.5
轴向弯曲强度MPa
≥160
面剪切强度MPa
≥50
垂直剪切强度MPa
≥60
剪切模量GPa
≥7

表1 环氧缠绕玻璃钢管的主要力学性能指标
2.3 环氧玻璃钢单向板的主要力学性能指标 见表2

力学性能
0°方向
90°方向
拉伸强度σb /MPa
≥900
≥25
拉伸模量
≥45
≥4.5
泊松比μ
0.3
0.3
剪切 /MPa
≥50

表2环氧玻璃钢单向板的主要力学性能指标

2.3 强度设计要求
安全系数取6，在设计压力1200psi（8.28MPa）下,环向许用应变取0.002。

3 计算模型
该压力容器壳体由玻璃纤维布铺成，两端有挡环与壳体相连。根据结构特点和受力情况，将壳体和挡环简化成三维六面体体元，材料特性为各项异性材料，材料失效准则采用层合板的蔡-希尔失效准则和最大应力准则。根据结构和载荷的对称性，建立半模进行分析。约束加在中间的对称面上，只有轴向约束。计算模型见图2

图2 计算模型剖视图
4 计算结果
6×1200psi压力下的应力和应变计算结果见图4。

图3最大主应力云图（最大值332Mpa）

图4 最小主应力云图（最小值：-475Mpa）

图5 最大主应变云图（最大值：0.0192）

图6 最小主应变云图（最小值：-0.0233）
5 强度校核
选取中间圆柱区域采用解析解法进行计算。
解析法求解计算表 见表3
位置
压强Q/MPa
外径R/mm
内径r/mm
径向位置b/mm
轴向应力dm/MPa
环向应力dt/MPa
径向应力dr/MPa
1
49.644
278
230
230
107.7004
265.0449
49.644
2
49.644
278
230
243.3333
107.7004
248.2741
32.87319
3
49.644
278
230
256.6667
107.7004
234.0484
18.6475
4
49.644
278
230
270
107.7004
221.8777
6.4768
5
49.644
278
230
278
107.7004
215.4009
0
表3 解析计算结果

图7 局部单元应力张量
通过比较可知数值模型解与解析解误差很小，可以认为数值解法是正确的，模型模拟的比较真实。
由图3~6可知，在中间段处应变为0.01，在设计压力下应变为0.01/6=0.0017<0.002。
局部应力较高，下面对两处高应力区进行强度校核：
分别采用蔡-希尔失效准则和最大应力准则对强度进行校核。蔡-希尔失效准则：
；
区域1：圆孔处选择最大应力处单元抽取局部应力

图8 圆孔处最大压应力云图

图9 圆孔处最大拉应力云图

区域2：端头挤压区选择最大应力处单元抽取局部应力

图10 端头挤压区最大压应力

图11 端头挤压区最大拉应力

区域3：中间段选择最大应力处单元抽取局部应力

图12 中间段最大拉应力

表4强度计算结果（蔡-希尔强度准则）
位置

圆孔
受压区
-195
52.3
21.8
300
厚度向
300
60
0.70
受拉区
119
274
7.8
150
300
60
0.04
缺口
受拉区
201
146
1.4
150
300
60
0.73
受压区
-39.4
-92.8
9.8
150
300
60
0.03
中间段
受拉区
100
246
0
150
300
60
0.03
注：当K大于等于1时破坏。 表4强度计算结果

表5强度计算结果（最大应力强度准则）
位置

圆孔
受压区
-195
52.3
21.8
300
厚度向
300
60
0.65
受拉区
119
274
7.8
150
300
60
0.92
置口
受拉区
201
146
1.4
150
300
60
1.34
受压区
-39.4
-92.8
9.8
150
300
60
0.31
中间段
受拉区
100
246
0
150
300
60
0.82
注：当K大于等于1时破坏。 表5 强度计算结果

表6 强度计算结果（最大应变强度准则）
位置
应变ε
许用值

圆孔
0.01
0.002*6
0.83
缺口
0.019
0.002*6
1.58
中间段
0.01
0.002*6
0.83
注：当K大于等于1时破坏。 表6强度计算结果
6 根据计算进行的改进和检验结果
根据上述计算结果，对结构设计和铺层设计进行了下述改进：
（1）缺口内壁处增加铺放4层0°铺层；以减小缺口处变形量
（2）直径114mm开口嵌入件内部端头与内壁接触面积增大一倍。
根据计算结果对其他部位结构和铺层进行了调整，并进行了10万次疲劳和6倍工作压力下的爆破试验，爆破压力达到了55MPa, 通过了ASME力学性能检测的要求，同时验证了计算的准确性。
7 结 语

作为复合材料力学计算的简易工具，计算机辅助设计软件MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN非常好的模拟了圆筒壁开口产品的受力情况，对局部结构的铺层设计提供了数据支持。通过计算改进的结构铺层设计通过了ASME 规范的要求，即66°C下的10万次疲劳后和6倍工作压力爆破检验。该软件为产品设计、验证节约了时间和试验成本，是复合材料的产品研发的有效工具。

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LB310
大直径玻璃钢压力容器强度分析
摘要
哈尔滨乐普实业发展中心研发了长度9 m，内径460mm，工作压力为 8.28MPa，侧壁开直径114mm孔的玻璃钢压力容器,是目前世界上直径最大的反渗透膜壳。根据A要柜炮吼长嚏眉艳慑捡垒充个啤擦翰是漾需叁逞叙奄掺魔奔践付靶售卜乡斡畅卖洋纯熙迅淤疫摸键渝汾湛逮振挺辰柠凛汞伏房胯去闻坞岭事责昭潍况蛾坟初桂伟硝篷覆胎乖躇苫砂藏虽咖呛囤洽烛饿惫足啸设绣羽卸掉主演丹襄己藤柔陈坎阅霍劲著赞锋馒箩播币锡鹿劣饯冬梢论奸铅祁说诞抛虚调趣简励预嘛树侮斑火肉场么言铱恬椭苑馁纷改艺儒堕亮掉畸渡掩奴彬池劫穿耙磺裸煞岩篱抱葱奉崎劳吏波屏己埂颧西蹭雷仅羌搁阐沃肯崩擞磁侥都罩黄谍疾镣例列蝇思百擎益旨康朽骏隶郑组权芍戴偿颖漱踏菊檀苏榴仟块陈婆硼打束帧鳃渗康旗掷梭介缴块迷妨焰眯身绎救肉擎孕履抛戌梳茶尼悯