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1、2022-11-24大直径玻璃钢压力容器强度分析 第11 页 共11 页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66C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ASM
2、E认证。关键词：玻玻璃钢压压力容器器；侧壁壁开孔；强度计计算；MMSC.PATTRANN；MSSC.NASSTRAAN ASMME标准准 2 设计输输入2.1 壳壳体结构构和铺层层设计（图图1） 图1 铺铺层结构构图使用ASMME规定定的计算算公式分分别计算算了筒体体厚度、开开孔补强强层厚度度，据此此设计的铺铺层为：结构层层为544.5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(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
3、外外形并开开孔，加加工孔底底部的置置口。2.2 设设计计算算采用的的力学性性能指标标 见表表1项目数值环向抗拉强强度MPPa300轴向抗拉强强度MPPa150环向弹性模模量GPPa25轴向弹性模模量GPPa12.55轴向弯曲强强度MPPa160面剪切强度度MPaa50垂直剪切强强度MPPa60剪切模量GGPa7表1 环环氧缠绕绕玻璃钢钢管的主主要力学学性能指指标2.3 环环氧玻璃璃钢单向向板的主主要力学学性能指指标 见表22 力力学性能能0方向90方向向拉伸强度b /MMPa90025拉伸模量454.5泊松比0.30.3剪切 /MMPa50表2环氧玻玻璃钢单单向板的的主要力力学性能能指标2.3
4、 强强度设计计要求 安全系数取取6，在在设计压压力12200ppsi（88.288MPaa）下,环向许许用应变变取0.0022。3 计算模模型该压力容器器壳体由由玻璃纤纤维布铺铺成，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 计计算模型型剖视图图4 计算结结果612000pssi压力力下的应应力和
5、应应变计算算结果见见图4。图3最大主主应力云云图（最最大值3332MMpa）图4 最最小主应应力云图图（最小小值：-4755Mpa）图5 最最大主应应变云图图（最大大值：00.01192）图6 最最小主应应变云图图（最小小值：-0.002333）5 强度校校核选取中间圆圆柱区域域采用解解析解法法进行计计算。解析法求解解计算表表 见见表3位置压强Q/MMPa外径R/mmm内径r/mmm径向位置bb/mmm轴向应力ddm/MPPa环向应力ddt/MMPa径向应力ddr/MMPa149.6444278230230107.770044265.00449949.6444249.6444278230243
6、.333333107.770044248.22741132.8773199349.6444278230256.666677107.770044234.00484418.64475449.6444278230270107.770044221.8877776.47668549.6444278230278107.770044215.4400990表3 解析析计算结结果图7 局局部单元元应力张张量通过比较可可知数值值模型解解与解析析解误差差很小，可可以认为为数值解解法是正正确的，模模型模拟拟的比较较真实。由图366可知，在在中间段段处应变变为0.01，在在设计压压力下应应变为00.011/6=0.00
7、01770.0022。局部应力较较高，下下面对两两处高应应力区进进行强度度校核：分别采用蔡蔡-希尔尔失效准准则和最最大应力力准则对对强度进进行校核核。蔡-希尔失失效准则则：；区域1：圆圆孔处选选择最大大应力处处单元抽抽取局部部应力图8 圆圆孔处最最大压应应力云图图图9 圆圆孔处最最大拉应应力云图图区域2：端端头挤压压区选择择最大应应力处单单元抽取取局部应应力图10 端头挤挤压区最最大压应应力图11 端头挤挤压区最最大拉应应力区域3：中中间段选选择最大大应力处处单元抽抽取局部部应力 图12 中间段段最大拉拉应力表4强度计计算结果果（蔡-希尔强强度准则则）位置圆孔受压区-19552.321.830
8、0厚度向300600.70受拉区1192747.8150300600.04缺口受拉区2011461.4150300600.73受压区-39.44-92.889.8150300600.03中间段受拉区1002460150300600.03注：当K大大于等于于1时破破坏。 表44强度计计算结果果表5强度计计算结果果（最大大应力强强度准则则）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-39.44-92.889.8150300600.31中间段受拉区10024601503
9、00600.82注：当K大大于等于于1时破破坏。 表表5 强强度计算算结果表6 强度度计算结结果（最最大应变变强度准准则）位置应变许用值圆孔0.010.0022*60.83缺口0.01990.0022*61.58中间段0.010.0022*60.83注：当K大大于等于于1时破破坏。 表表6强度度计算结结果6 根据计计算进行行的改进进和检验验结果根据上述计计算结果果，对结结构设计计和铺层层设计进进行了下下述改进进：（1）缺口口内壁处处增加铺铺放4层0铺层；以减小小缺口处处变形量量（2）直径径1144mm开开口嵌入入件内部部端头与与内壁接接触面积积增大一一倍。根据计算结结果对其其他部位位结构和和铺层进进行了调调整，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 语作为复合材材料力学学计算的的简易工工具，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。11