1、2019-5-16 大直径玻璃钢压力容器强度分析 第 1 页 共 7 页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 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
2、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.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
3、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2019-5-16 大直径玻璃钢压力容器强度分析 第 2 页 共 7 页2拉伸强度 b /MPa 900 25拉伸模量 45 4.5泊松比 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
4、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61200psi 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）2019-5-16 大直径玻璃钢压力容器强度分析 第 3 页 共
5、7 页3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2019-5-16 大直径玻璃钢压力容器强度分析 第 4 页 共 7 页4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/MPa1 49.644 278 230 230 107.7004 265.0449 49.6442 49.644 278 230 243.3333 107.7004 248.2741
6、32.873193 49.644 278 230 256.6667 107.7004 234.0484 18.64754 49.644 278 230 270 107.7004 221.8777 6.47685 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 36 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
7、力准则对强度进行校核。蔡- 希尔失效准则：1221SYX；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2019-5-16 大直径玻璃钢压力容器强度分析 第 5 页 共 7 页5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2019-5-16 大直径玻璃钢压力容器强度分析 第 6 页 共 7 页6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 MPa1/a2/MPa12/XMPa/Y/SK受压区 -195
8、 52.3 21.8 300厚度向 300 60 0.70圆孔受拉区 119 274 7.8 150 300 60 0.04受拉区 201 146 1.4 150 300 60 0.73缺口受压区 -39.4 -92.8 9.8 150 300 60 0.03中间段 受拉区 100 246 0 150 300 60 0.03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 MPa1/a2/MPa12/XMPa/Y/SmaxK受压区 -195 52.3 21.8 300厚度向 300 60 0.65圆孔受拉区 119 274 7.8 150 3
9、00 60 0.92受拉区 201 146 1.4 150 300 60 1.34置口受压区 -39.4 -92.8 9.8 150 300 60 0.31中间段 受拉区 100 246 0 150 300 60 0.82注：当 K 大于等于 1 时破坏。 表 5 强度计算结果2019-5-16 大直径玻璃钢压力容器强度分析 第 7 页 共 7 页7表 6 强度计算结果（最大应变强度准则）位置 应变 许用值 maxK圆孔 0.01 0.002*6 0.83缺口 0.019 0.002*6 1.58中间段 0.01 0.002*6 0.83注：当 K 大于等于 1 时破坏。 表 6 强度计算结果
10、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 非常好的模拟了圆筒壁开口产品的受力情况，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。
