大直径FRP压力容器的强度分析.docVIP

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 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=0.00170.002。 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