大直徑玻璃鋼壓力容器強度分析

1、大直徑玻璃鋼壓力容器強度分析摘要關(guān)鍵詞：玻璃鋼壓力容器；側(cè)壁開孔；強度計算；MSC.PATRAN；MSC.NASTRAN ASME標準 2 設(shè)計輸入2.1 殼體結(jié)構(gòu)和鋪層設(shè)計（圖1）圖1 鋪層結(jié)構(gòu)圖使用ASME規(guī)定的計算公式分別計算了筒體厚度、開孔補強層厚度，據(jù)此設(shè)計的鋪層為：結(jié)構(gòu)層為54.5°螺旋纏繞，共計40層，每層厚1，纖維體積分數(shù)75%。補強層采用0° (軸向+90°(環(huán)向纖維鋪層,總纖維體積分數(shù)73%，0°纖維與90°纖維比例為1:2，厚度為120mm。開孔直徑114mm，纏繞完成后機械加工外形并開孔，加工孔底部的置口 。2.2 設(shè)計

2、計算采用的力學(xué)性能指標 見表1項目數(shù)值環(huán)向抗拉強度MPa300軸向抗拉強度MPa150環(huán)向彈性模量GPa25軸向彈性模量GPa12.5軸向彎曲強度MPa160面剪切強度MPa50垂直剪切強度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2.3 環(huán)氧玻璃鋼單向板的主要力學(xué)性能指標 見表2力學(xué)性能0°方向90°方向拉伸強度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2.3 強度設(shè)計要求 安全系數(shù)取6，在設(shè)計壓力1200psi（8.28MPa）下,環(huán)向許用應(yīng)變?nèi)?.002。3 計算模型該壓力

3、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)特點和受力情況，將殼體和擋環(huán)簡化成三維六面體體元，材料特性為各項異性材料，材料失效準則采用層合板的蔡-希爾失效準則和最大應(yīng)力準則。根據(jù)結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，建立半模進行分析。約束加在中間的對稱面上，只有軸向約束。計算模型見圖2 圖2 計算模型剖視圖4 計算結(jié)果6×1200psi壓力下的應(yīng)力和應(yīng)變計算結(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)變云圖（最大值：0.0192）圖6 最小主應(yīng)變云圖（最小值：-0.0233）5 強度校核選取中間圓柱區(qū)域采用解析解法進行計算

4、。解析法求解計算表 見表3位置壓強Q/MPa外徑R/mm內(nèi)徑r/mm徑向位置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

5、型解與解析解誤差很小，可以認為數(shù)值解法是正確的，模型模擬的比較真實。由圖36可知，在中間段處應(yīng)變?yōu)?.01，在設(shè)計壓力下應(yīng)變?yōu)?.01/6=0.0017<0.002。局部應(yīng)力較高，下面對兩處高應(yīng)力區(qū)進行強度校核：分別采用蔡-希爾失效準則和最大應(yīng)力準則對強度進行校核。蔡-希爾失效準則：；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強度計算結(jié)果（蔡-希爾強度準則）位

6、置圓孔受壓區(qū)-19552.321.8300厚度向300600.70受拉區(qū)1192747.8150300600.04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時破壞。 表4強度計算結(jié)果表5強度計算結(jié)果（最大應(yīng)力強度準則）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時破壞。 表5 強度計算結(jié)果表6 強度計算結(jié)果（最大應(yīng)變強度準則）位置應(yīng)變許用值圓孔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時破壞。 表6強度計算結(jié)果6 根據(jù)計算進行的改進和檢驗結(jié)果根據(jù)上述計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋪層設(shè)計進行了下述改進：（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