大直径玻璃钢压力容器强度分析

1、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.

2、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MPa300轴向抗拉强度MP

3、a150环向弹性模量GPa25轴向弹性模量GPa12.5轴向弯曲强度MPa160面剪切强度MPa50垂直剪切强度MPa60剪切模量GPa7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b /MPa90025拉伸模量454.5泊松比0.30.3剪切 /MPa50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

4、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

5、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36

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11

7、92747.8150300600.04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-39.4-92.89.8150300600.31中间段受拉区1002460150300600.82注：当K大于等于1时破坏。 表5 强度计算结果表6

8、 强度计算结果（最大应变强度准则）位置应变许用值圆孔0.010.002*60.83缺口 0.0190.002*61.58中间段0.010.002*60.83注：当K大于等于1时破坏。 表6强度计算结果6 根据计算进行的改进和检验结果根据上述计算结果，对结构设计和铺层设计进行了下述改进：（1）缺口内壁处增加铺放4层0°铺层；以减小缺口处变形量（2）直径114mm开口嵌入件内部端头与内壁接触面积增大一倍。根据计算结果对其他部位结构和铺层进行了调整，并进行了10万次疲劳和6倍工作压力下的爆破试验，爆破压力达到了55MPa, 通过了ASME力学性能检测的要求，同时验证了计算的准确性。7 结 语作为复合材料力学计算的简易工具，计算机辅助设计软件MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN非常好的模