精撰文压力容器筒体失稳分析报告

1、7A 版优质实用文档 最新压力容器筒体失稳分析报告 目录 一、计算目的 2 二、设计及计算依据 2 三、计算条件 2 四、有限元计算分析软件的选取 3 五、低温液体运输车外罐的有限元分析计算 3 1 、计算模型的建立 3 2 、计算载荷的处理 6 3 、边界条件 6 4 、应力计算结果 7 5 、特征值屈曲分析下外筒体的失稳模态 7 6 、失稳临界压力结果 8 六、结论 10 7A 版优质实用文档 7A 版优质实用文档 一、计算目的 我公司设计的 BD4706 型低温液体运输车，其基本结构为具有内、外圆筒 的双层结构， 内容器贮存低温液体， 内容器与外壳之间的夹层填充绝热材料且抽 真空；内容器

2、与外壳之间通过八组环氧玻璃钢支承。 外壳通过垫板及前牵引支座、 后支架钢梁与车辆连接以方便运输。 为了降低罐体重量， 增加最大充装量， 提高车子运行时的经济性， 对低温液 体运输车的外筒体角钢加强圈进行了新的布置。 本计算报告对该型低温液体槽车 外罐的外压稳定性计算分析与比较， 为该产品的安全及其进一步改进和优化等提 供了结构有限元分析基础。 二、设计及计算依据 1GB150 20GG 压力容器 2JB4732-19GG 钢制压力容器分析设计标准 20GG 确认版 3BD4706 低温液体槽车设计图纸及技术条件 三、计算条件 低温液体运输车外容器的主要设计条件见下表， 其他条件见设计图纸及技术

3、 资料。其外容器的三维示意简图见图 5-1 设计参数 外壳 设计压力 MGa -0.1 工作压力 MGa -0.1 计算压力 MGa -0.1 设计温度 -2050 工作温度 -2050 贮存介质 LNG 腐蚀裕量 mm 0 7A 版优质实用文档 7A 版优质实用文档 焊接接头系数 0.85 主要受压元件材料 Q345G 筒体几何尺寸 mm 2486 5 加强圈尺寸 mm 63355.0 容器类别 三类 绝热形式 高真空多层绝热 致密性检验 氦检漏 表 3-1BD4706 低温液体槽车外罐主要设计条件 四、有限元计算分析软件的选取 本次计算采用 A 公司的有限元分析软件 A 做前后处理与分析计

4、算。 A 是 国际上最先进的大型通用有限元分析软件之一， 已广泛地应用于工程上的各种计 算与分析。它除了可以进行一般的结构分析外，还可以进行热分析、流体分析、 电/ 磁场分析等多种物理场分析，以及热 -应力分析、电磁 -热分析、流体 - 结构分 析、压电分析等藕合场分析。 该计算程序已获得全国压力容器标准化技术委员会的认可， 可以作为我国压 力容器设计计算的有限元应力计算与分析软件。 五、低温液体槽车结构的有限元分析计算 本次低温液体槽车结构的有限元分析计算只包括外罐筒体的临界失稳外压 计算，其他部件的计算见设计图纸及常规计算书。 1、计算模型的建立 为了简化计算和降低计算规模， 同时又保证计

5、算结果的可靠性， 根据低温液 体运输车的结构， 载荷和约束特点， 有限元计算采用外壳的整体模型来建模， 包 括外筒体，外前封头，外后封头， L 型角钢加强圈。不包括外罐其他附件结构。 其中筒体、封头采用三维壳单元， 角钢加强圈采用自定义截面的三维梁单元。 7A 版优质实用文档 7A 版优质实用文档 该外罐结构共使用了 12318 三维壳单元 (SHELL181) 和 3440 个三维梁单元 ( BEAM188 )，共 15758 个节点，约 7.5 万自由度。针对加强圈与罐体，定义 了三个截面类型( SECTYGE)，分别对应筒体，封头，角钢圈的截面。该外罐结 构的有限元实体及单元网格见图 5

6、-1,5-2 所示。 图 5-1 低温液体运输车外罐结构的几何模型示意图 图 5-2 低温液体运输车外罐有限元计算模型单元网格图 图 5-3 低温液体运输车外罐有限元计算模型单元网格图 2、计算载荷的处理 导致低温液体运输车外罐失稳的主要载荷为外壳承受的大气外压G 外。 在 5.5 节特征值屈曲计算过程中取 G 外 =0.1MGa ，以均压法向方式加在外 壳表面。在5.6 节考虑初始缺陷的非线性屈曲计算过程中， 取G外=0.4286MGa ， 以均压法向方式加在外壳表面。该值是 5.5 节中特征值屈曲计算的结果。 3、边界条件 为了防止在计算过程中出现刚体位移， 选取若干节点， 限制了罐体在圆

7、周方 向和轴向上的自由度。 图 5-3 即为槽车外罐结构加上 G 外载荷及位移边界条件的有限元计算模型 示意图。 图 5-4 运输车外罐结构的载荷示意图 5.4 应力计算结果 7A 版优质实用文档 7A 版优质实用文档 A 有限元软件可用彩色云图输出结构计算模型中的节点位移值、 各种应变及 应力值等。本次报告采用的应力为第三强度理论中“应力强度” 。在外压作用下 外罐的应力强度分布如下图所示： 图 5-5 外罐在 G 外压力下的应力强度分布（剖视图） 由上图可知，外罐在外压作用下的最大应力强度区分布在封头过渡段内表面， 为 80.795MGa ，低于材料的许用应力。并且该部件的设计计算及校核已

8、由常规 计算保证，这里不再展开应力线性化评判。 5、特征值屈曲分析下外筒体的失稳模态 本计算过程采用线弹性特征值屈曲分析以确定失稳模态及临界压力。 施加的 载荷 G 外=0.1MGa 。 特征值屈曲分析解是一项理论解， 该分析方法得到的结果比考虑几何非线性 的屈曲分析得到的结果不保守。 通常用该过程来获得结构的初始缺陷及非线性求 解载荷，为后面的进一步分析作准备。 图 5-5 外罐的临界载荷及失稳模态 在特征值屈曲分析中，施加外压 G=0.1MGa ，通过计算我们可以得到载荷 因子： FACT=4.28601152 由此可知，外罐的特征值屈曲分析的临界失稳压力： GcG0.1 4.286=0.

9、4286MGa ， 失稳时圆周方向波数为 2 。 6、失稳临界压力结果 按 5.5 节中的分析结果获得结构的几何缺陷和载荷， 该方法考虑了制造过程 7A 版优质实用文档 7A 版优质实用文档 中产生的圆度误差， 更加贴近实际情况。 施加的载荷为 5.5 中所得到的临界失稳 压力 GcG=0.4286MGa ，施加的几何缺陷量为 5.5 节中计算得到的节点位移量的 4倍 选用弧长法进行迭代求解，设置初始子步为 10 ，载荷以线性方式加载。经 过 A 的迭代求解及后处理的相关换算可得到下图： 图 5-6 几何非线性屈曲分析的载荷 - 位移曲线图，可以看出外壳结构在外压 载荷约 0.42MGa 时筒

10、体变形开始无限增大 结 时间步 载 子 时间步 果集 荷步 步 增量 3 0.9700 3 1.03E-0 9 1 1 9 4 4 0.9700 4 8.67E-0 0 9 1 0 5 4 0.9701 4 7.16E-0 1 7 1 1 5 4 0.9702 4 5.75E-0 2 2 1 2 5 4 0.9702 4 4.43E-0 3 7 1 3 5 4 4 3.18E-0 4 0.9703 1 4 5 4 0.9703 1 4 2.01E-0 7A 版优质实用文档 7A 版优质实用文档 5 2 5 5 4 0.9703 4 9.04E-0 6 3 1 6 6 4 0.9703 4 -1.48E- 7 3 1 7 06 4 0.9703 4 -1.15E- 8 2 1 8 05 4 0.9702 4 -2.10E- 9 9 1 9 05 5 0.9702 5 -3.01E- 0 6 1 0 05 5 0.9702 5 -3.89E- 1 3 1 1 05 5 0.9701 5 -4.73E- 2 8 1 2 05 表 5.1 非线性求解列表 根据图 5-6 的曲线图及 5.1 非线性求解列表可知，载荷在第 46 个子步达到 最大值，随后的载荷 - 位移曲线图呈下降趋势。可以判断第 46 个子步对应的载 荷即为临界失稳压力。 GcG=0.9