大直径玻璃钢压力容器强度分析1137.docx

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1、2022-11-17大直径玻璃钢压力容器强度分析 第9 页 共9 页大直径玻玻璃钢压压力容器器强度分析析摘要哈尔滨乐乐普实业业发展中中心研发发了长度度9 mm，内径径4600mm，工工作压力力为 88.288MPa，侧侧壁开直直径1114mmm孔的玻玻璃钢压压力容器器,是目目前世界界上直径径最大的的反渗透透膜壳。根据AASMEE规范的的要求，产产品需要要在666C介质中中疲劳循循环100万次后后，通过过6倍工工作压力力的爆破破检验（550MPPa）。采采用ASSME 规范指指定的复复合材料料力学计计算公式式完成厚厚度计算算和铺层层设计后后，使用用MSCC.PAATRAAN和MMSC.NASST

2、RAAN软件件对产品品进行了了应力和和应变分分析，根根据分析析结果对对补强铺铺层进行行了调整整，调整整铺层的的模型容容器进行行试验验验证，并并通过了了ASMME认证证。关键词：玻璃钢钢压力容容器；侧侧壁开孔孔；强度度计算；MSCC.PAATRAAN；MMSC.NASSTRAAN ASMME标准准 2 设计计输入2.1 壳体结结构和铺铺层设计计（图11） 图1 铺层结结构图使用ASSME规规定的计计算公式式分别计计算了筒筒体厚度度、开孔孔补强层层厚度，据据此设计计的铺层层为：结结构层为为54.5螺旋缠缠绕，共共计400层，每每层厚11，纤纤维体积积分数775%。补补强层采采用0 (轴轴向)+90

3、(环向向)纤维维铺层,总纤维维体积分分数733%，00纤维与与90纤维比比例为11:2，厚厚度为1120mm。开开孔直径径1144mm，缠缠绕完成成后机械械加工外外形并开开孔，加加工孔底底部的置置口。2.2 设计计计算采用用的力学学性能指指标 见见表1项目数值环向抗拉拉强度MMPa3000轴向抗拉拉强度MMPa1500环向弹性性模量GGPa25轴向弹性性模量GGPa12.5轴向弯曲曲强度MMPa1600面剪切强强度MPPa50垂直剪切切强度MMPa60剪切模量量GPaa7表1 环氧缠缠绕玻璃璃钢管的的主要力力学性能能指标2.3 环氧玻玻璃钢单单向板的的主要力力学性能能指标 见表表2 力学性性能

4、0方向向90方方向拉伸强度度b /MMPa900025拉伸模量量454.55泊松比0.30.3剪切 /MPaa50表2环氧氧玻璃钢钢单向板板的主要要力学性性能指标标2.3 强度设设计要求求 安全系数数取6，在在设计压压力12200ppsi（88.288MPaa）下,环向许许用应变变取0.0022。3 计算算模型该压力容容器壳体体由玻璃璃纤维布布铺成，两两端有挡挡环与壳壳体相连连。根据据结构特特点和受受力情况况，将壳壳体和挡挡环简化化成三维维六面体体体元，材材料特性性为各项项异性材材料，材材料失效效准则采采用层合合板的蔡蔡-希尔尔失效准准则和最最大应力力准则。根根据结构构和载荷荷的对称称性，建建

5、立半模模进行分分析。约约束加在在中间的的对称面面上，只只有轴向向约束。计计算模型型见图22 图2 计算模模型剖视视图4 计算算结果612200ppsi压压力下的的应力和和应变计计算结果果见图44。图3最大大主应力力云图（最最大值3332MMpa）图4 最小主主应力云云图（最最小值：-4755Mpa）图5 最大主主应变云云图（最最大值：0.001922）图6 最小主主应变云云图（最最小值：-0.02333）5 强度度校核选取中间间圆柱区区域采用用解析解解法进行行计算。解析法求求解计算算表 见表33位置压强Q/MPaa外径R/mm内径r/mm径向位置置b/mmm轴向应力力dm/MPPa环向应力力d

6、t/MPaa径向应力力dr/MPaa149.6644278230230107.70004265.0444949.6644249.6644278230243.33333107.70004248.2744132.8873119349.6644278230256.66667107.70004234.0488418.664755449.6644278230270107.70004221.877776.47768549.6644278230278107.70004215.400090表3 解解析计算算结果图7 局部单单元应力力张量通过比较较可知数数值模型型解与解解析解误误差很小小，可以以认为数数值解法法

7、是正确确的，模模型模拟拟的比较较真实。由图36可知知，在中中间段处处应变为为0.001，在在设计压压力下应应变为00.011/6=0.0001770.0022。局部应力力较高，下下面对两两处高应应力区进进行强度度校核：分别采用用蔡-希希尔失效效准则和和最大应应力准则则对强度度进行校校核。蔡蔡-希尔尔失效准准则：；区域1：圆孔处处选择最最大应力力处单元元抽取局局部应力力图8 圆孔处处最大压压应力云云图图9 圆孔处处最大拉拉应力云云图区域2：端头挤挤压区选选择最大大应力处处单元抽抽取局部部应力图10 端头头挤压区区最大压压应力图11 端头头挤压区区最大拉拉应力区域3：中间段段选择最最大应力力处单元

8、元抽取局局部应力力 图12 中间间段最大大拉应力力表4强度度计算结结果（蔡蔡-希尔尔强度准准则）位置圆孔受压区-195552.3321.88300厚度向300600.700受拉区1192747.8150300600.044缺口受拉区2011461.4150300600.733受压区-39.4-92.89.8150300600.033中间段受拉区1002460150300600.033注：当KK大于等等于1时时破坏。 表4强度计算结果表5强度度计算结结果（最最大应力力强度准准则）位置圆孔受压区-195552.3321.88300厚度向300600.655受拉区1192747.8150300600

9、.922置口受拉区2011461.4150300601.344受压区-39.4-92.89.8150300600.311中间段受拉区1002460150300600.822注：当KK大于等等于1时时破坏。 表5 强度计算结果表6 强强度计算算结果（最最大应变变强度准准则）位置应变许用值圆孔0.0110.0002*60.833缺口0.01190.0002*61.588中间段0.0110.0002*60.833注：当KK大于等等于1时时破坏。 表6强度计算结果6 根据据计算进进行的改改进和检检验结果果根据上述述计算结结果，对对结构设设计和铺铺层设计计进行了了下述改改进：（1）缺缺口内壁壁处增加加铺

10、放44层0铺层；以减小小缺口处处变形量量（2）直直径1114mmm开口嵌嵌入件内内部端头头与内壁壁接触面面积增大大一倍。根据计算算结果对对其他部部位结构构和铺层层进行了了调整，并并进行了了10万万次疲劳劳和6倍倍工作压压力下的的爆破试试验，爆爆破压力力达到了了55MMPa,通过了了ASMME力学学性能检检测的要要求，同同时验证证了计算算的准确确性。7 结结 语作为复合合材料力力学计算算的简易易工具，计计算机辅辅助设计计软件MMSC.PATTRANN和MSSC.NASSTRAAN非常常好的模模拟了圆圆筒壁开开口产品品的受力力情况，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66C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。9