DATE\@"yyyy-M-d"2022-10-d大直徑玻璃鋼壓力容器強度分析第11頁共11頁PAGEPAGE11LB310大直徑玻璃鋼壓力容器強度分析摘要哈爾濱樂普實業(yè)發(fā)展中心研發(fā)了長度9m，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（50MPa）。采用ASME規(guī)范指定的復(fù)合材料力學(xué)計算公式完成厚度計算和鋪層設(shè)計后，使用MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN軟件對產(chǎn)品進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變分析，根據(jù)分析結(jié)果對補強鋪層進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整鋪層的模型容器進(jìn)行試驗驗證，并通過了ASME認(rèn)證。關(guān)鍵詞：玻玻璃鋼壓壓力容器器；側(cè)壁壁開孔；；強度計計算；MMSC..PATTRANN；MSSC.NASSTRAANASMME標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)2設(shè)計輸輸入2.1殼殼體結(jié)構(gòu)構(gòu)和鋪層層設(shè)計（圖圖1）圖1鋪鋪層結(jié)構(gòu)構(gòu)圖使用ASMME規(guī)定定的計算算公式分分別計算算了筒體體厚度、開開孔補強強層厚度度，據(jù)此此設(shè)計的鋪鋪層為：：結(jié)構(gòu)層層為544.5°°螺旋纏纏繞，共共計400層，每每層厚11㎜，纖纖維體積積分?jǐn)?shù)775%。補補強層采采用0°°(軸軸向)++90°°(環(huán)向向)纖維維鋪層,,總纖維維體積分分?jǐn)?shù)733%，00°纖維與與90°°纖維比比例為11:2，厚厚度為1120mm。開開孔直徑徑1144mm，纏纏繞完成成后機(jī)械械加工外外形并開開孔，加加工孔底底部的置置口。2.2設(shè)設(shè)計計算算采用的的力學(xué)性性能指標(biāo)標(biāo)見表表1項目數(shù)值環(huán)向抗拉強強度MPPa≥300軸向抗拉強強度MPPa≥150環(huán)向彈性模模量GPPa≥25軸向彈性模模量GPPa≥12.55軸向彎曲強強度MPPa≥160面剪切強度度MPaa≥50垂直剪切強強度MPPa≥60剪切模量GGPa≥7表1環(huán)環(huán)氧纏繞繞玻璃鋼鋼管的主主要力學(xué)學(xué)性能指指標(biāo)2.3環(huán)環(huán)氧玻璃璃鋼單向向板的主主要力學(xué)學(xué)性能指指標(biāo)見表22力力學(xué)性能能0°方向90°方向向拉伸強度σσb/MMPa≥900≥25拉伸模量≥45≥4.5泊松比μ0.30.3剪切/MMPa≥50表2環(huán)氧玻玻璃鋼單單向板的的主要力力學(xué)性能能指標(biāo)2.3強強度設(shè)計計要求安全系數(shù)取取6，在在設(shè)計壓壓力12200ppsi（88.288MPaa）下,,環(huán)向許許用應(yīng)變變?nèi)?..0022。3計算模模型該壓力容器器殼體由由玻璃纖纖維布鋪鋪成，兩兩端有擋擋環(huán)與殼殼體相連連。根據(jù)據(jù)結(jié)構(gòu)特特點和受受力情況況，將殼殼體和擋擋環(huán)簡化化成三維維六面體體體元，材材料特性性為各項項異性材材料，材材料失效效準(zhǔn)則采采用層合合板的蔡蔡-希爾爾失效準(zhǔn)準(zhǔn)則和最最大應(yīng)力力準(zhǔn)則。根根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)和載荷荷的對稱稱性，建建立半模模進(jìn)行分分析。約約束加在在中間的的對稱面面上，只只有軸向向約束。計計算模型型見圖22圖2計計算模型型剖視圖圖4計算結(jié)結(jié)果6×12000pssi壓力力下的應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)應(yīng)變計算算結(jié)果見見圖4。圖3最大主主應(yīng)力云云圖（最最大值3332MMpa）圖4最最小主應(yīng)應(yīng)力云圖圖（最小小值：--4755Mpa）圖5最最大主應(yīng)應(yīng)變云圖圖（最大大值：00.01192）圖6最最小主應(yīng)應(yīng)變云圖圖（最小小值：--0.002333）5強度校校核選取中間圓圓柱區(qū)域域采用解解析解法法進(jìn)行計計算。解析法求解解計算表表見見表3位置壓強Q/MMPa外徑R/mmm內(nèi)徑r/mmm徑向位置bb/mmm軸向應(yīng)力ddm/MPPa環(huán)向應(yīng)力ddt/MMPa徑向應(yīng)力ddr/MMPa149.6444278230230107.770044265.00449949.6444249.6444278230243.333333107.770044248.22741132.8773199349.6444278230256.666677107.770044234.00484418.64475449.6444278230270107.770044221.8877776.47668549.6444278230278107.770044215.4400990表3解析析計算結(jié)結(jié)果圖7局局部單元元應(yīng)力張張量通過比較可可知數(shù)值值模型解解與解析析解誤差差很小，可可以認(rèn)為為數(shù)值解解法是正正確的，模模型模擬擬的比較較真實。由圖3~66可知，在在中間段段處應(yīng)變變?yōu)?..01，在在設(shè)計壓壓力下應(yīng)應(yīng)變?yōu)?0.011/6==0.000177<0..0022。局部應(yīng)力較較高，下下面對兩兩處高應(yīng)應(yīng)力區(qū)進(jìn)進(jìn)行強度度校核：：分別采用蔡蔡-希爾爾失效準(zhǔn)準(zhǔn)則和最最大應(yīng)力力準(zhǔn)則對對強度進(jìn)進(jìn)行校核核。蔡--希爾失失效準(zhǔn)則則：；區(qū)域1：圓圓孔處選選擇最大大應(yīng)力處處單元抽抽取局部部應(yīng)力圖8圓圓孔處最最大壓應(yīng)應(yīng)力云圖圖圖9圓圓孔處最最大拉應(yīng)應(yīng)力云圖圖區(qū)域2：端端頭擠壓壓區(qū)選擇擇最大應(yīng)應(yīng)力處單單元抽取取局部應(yīng)應(yīng)力圖10端頭擠擠壓區(qū)最最大壓應(yīng)應(yīng)力圖11端頭擠擠壓區(qū)最最大拉應(yīng)應(yīng)力區(qū)域3：中中間段選選擇最大大應(yīng)力處處單元抽抽取局部部應(yīng)力圖12中間段段最大拉拉應(yīng)力表4強度計計算結(jié)果果（蔡--希爾強強度準(zhǔn)則則）位置圓孔受壓區(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)-39.44-92.889.8150300600.03中間段受拉區(qū)1002460150300600.03注：當(dāng)K大大于等于于1時破破壞。表44強度計計算結(jié)果果表5強度計計算結(jié)果果（最大大應(yīng)力強強度準(zhǔn)則則）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)-39.44-92.889.8150300600.31中間段受拉區(qū)1002460150300600.82注：當(dāng)K大大于等于于1時破破壞。表表5強強度計算算結(jié)果表6強度度計算結(jié)結(jié)果（最最大應(yīng)變變強度準(zhǔn)準(zhǔn)則）位置應(yīng)變ε許用值圓孔0.010.0022*60.83缺口0.01990.0022*61.58中間段0.010.0022*60.83注：當(dāng)K大大于等于于1時破破壞。表表6強度度計算結(jié)結(jié)果6根據(jù)計計算進(jìn)行行的改進(jìn)進(jìn)和檢驗驗結(jié)果根據(jù)上述計計算結(jié)果果，對結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計計和鋪層層設(shè)計進(jìn)進(jìn)行了下下述改進(jìn)進(jìn)：（1）缺口口內(nèi)壁處處增加鋪鋪放4層0°鋪層；；以減小小缺口處處變形量量（2）直徑徑1144mm開開口嵌入入件內(nèi)部部端頭與與內(nèi)壁接接觸面積積增大一一倍。根據(jù)計算結(jié)結(jié)果對其其他部位位結(jié)構(gòu)和和鋪層進(jìn)進(jìn)行了調(diào)調(diào)整，并并進(jìn)行了了10萬萬次疲勞勞和6倍倍工作壓壓力下的的爆破試試驗，爆爆破壓力力達(dá)到了了55MMPa,,通過了了ASMME力學(xué)學(xué)性能檢檢測的要要求，同同時驗證證了計算算的準(zhǔn)確確性。7結(jié)語作為復(fù)合材材料力學(xué)學(xué)計算的的簡易工工具，計計算機(jī)輔輔助設(shè)計計軟件MMSC..PA