大直径玻璃钢压力容器强度分析.doc

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9m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.NASTRANASME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μ0.30.3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/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-19552.321.8300厚度向300600.70受拉区1192747.8150300600.04缺口受拉区2011461.4150300600.73受压区-39.4-92.89.8150300600.03中间段受拉区1002460150300600.03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-19552.321.8300厚度向300600.65受拉区1192747.8150300600.92置口受拉区2011461.4150300601.34受压区-39.4-92.89.815