立式玻璃鋼貯罐水壓靜載荷條件下的有限元分析

張雨

摘 要：玻璃鋼貯罐是樹脂基復(fù)合材料制品中應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品之一。與傳統(tǒng)的金屬、鋼筋混凝土相比，它有如下特點：耐腐蝕性能好；強度高、自重輕；隔熱保溫效果好；成型容易；安裝、運輸方便等等。對于盛裝液體、容積大于100m3的大型貯罐，一般多采用立式。目前，立式玻璃鋼貯罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析技術(shù)已成為重要的研究方向。將有限元分析應(yīng)用于立式玻璃鋼貯罐的設(shè)計中，在產(chǎn)品設(shè)計階段可以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，有效地縮短產(chǎn)品設(shè)計周期和試驗費用。本課題經(jīng)過了長時間的準(zhǔn)備，調(diào)研了玻璃鋼企業(yè)對產(chǎn)品設(shè)計和分析的需求，主要針對立式玻璃鋼貯罐開展以下幾個方面的研究：建立了玻璃鋼貯罐有限元分析流程；對貯罐在裝滿水后的應(yīng)變應(yīng)力進行了分析，并對貯罐結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：玻璃鋼；立式貯罐；設(shè)計；有限元；ANSYS

1 玻璃鋼貯罐的結(jié)構(gòu)

1.1 貯罐壁厚

1.2 貯罐底板尺寸

根據(jù)ASTM-D3299中規(guī)定，如圖2底板厚度tbo=9.5，罐壁下部t=26.3，拐角處tb=25，加強段L=300，過渡段M=100。

2 立式玻璃鋼貯罐水壓靜載荷條件下的有限元分析

2.1 單元類型

文章設(shè)計的玻璃鋼立式貯罐屬于薄殼類，所以要在層合單元和多層單元兩者之間進行選擇。由于本貯罐的材料均為玻璃鋼，為了簡化模型，可以將材料等效均勻化，所以文章采用的是層合單元。文章選擇SHELL281層合單元建立玻璃鋼立式貯罐的模型。

2.2 材料屬性

文章分析的玻璃鋼貯罐采用纏繞工藝，由長纖維纏繞而成，貯罐材料的力學(xué)性能由拉伸試驗測得，具體參數(shù)見表1。

2.3 網(wǎng)格劃分

ANSYS的網(wǎng)格劃分包括自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種。文章分析的玻璃鋼立式貯罐屬于圓柱型封閉殼體，形狀比較規(guī)則，所以采用映射網(wǎng)格劃分最為適合，圓柱曲面的網(wǎng)格單元形狀為四邊形，為了保證網(wǎng)格從罐壁到貯罐底面均勻過渡，貯罐底部采用的網(wǎng)格形狀為三角形。為了提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確度，網(wǎng)格單元大小不要過大并盡量分布均勻。由于文章主要是分析貯罐在水壓試驗下的應(yīng)變，本貯罐按規(guī)定容積盛滿水后，罐頂并不承受水壓，所以在劃分網(wǎng)格時，并未對罐頂進行劃分。

2.4 邊界條件及約束情況

玻璃鋼立式貯罐在工作過程中是被放置在基礎(chǔ)底面上，且固定不動的。因此要對貯罐底部施加約束載荷，即對底部所有節(jié)點的x、y、z三個方向的自由度全部約束。

隨著深度的增加，液壓也隨之增加，所以需對罐壁施加梯度力。

2.5 有限元計算結(jié)構(gòu)與分析

由于玻璃鋼貯罐承受水壓梯度力，為節(jié)約材料，玻璃鋼的壁厚的設(shè)計為自下而上逐漸變薄。文章為簡化模型，將壁厚設(shè)置為均厚。文章將ansys引入玻璃鋼貯罐的設(shè)計和分析中主要是計算水壓下玻璃鋼貯罐的最大應(yīng)變值，另外出于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計方面的考慮，文章對不同壁厚的貯罐進行了水壓分析。

從計算結(jié)果上看，可以得出以下結(jié)論：

a.本罐體依然與大多數(shù)壓力容器一樣，穩(wěn)定性依然是其主要控制因素。

b.值得注意的是無論是承載力，位移還是屈曲分析，均未將罐體保護層厚度對承載力，變形和穩(wěn)定性貢獻，因此結(jié)果均相對保守。

c.如將期望的承載力安全系數(shù)和穩(wěn)定性安全系數(shù)設(shè)定為10，同時將保護層貢獻計算在內(nèi)，文章認(rèn)為罐體的結(jié)構(gòu)層設(shè)計厚度可采用21.1mm。保護層厚度內(nèi)外各為2mm，總厚度為25.1。相比于原設(shè)計26.3mm厚設(shè)計方案，預(yù)計可節(jié)約成本約20%左右。