立式玻璃钢贮罐水压静载荷条件下的有限元分析

张雨

摘 要：玻璃钢贮罐是树脂基复合材料制品中应用最广泛的产品之一。与传统的金属、钢筋混凝土相比，它有如下特点：耐腐蚀性能好；强度高、自重轻；隔热保温效果好；成型容易；安装、运输方便等等。对于盛装液体、容积大于100m3的大型贮罐，一般多采用立式。目前，立式玻璃钢贮罐的结构设计和有限元分析技术已成为重要的研究方向。将有限元分析应用于立式玻璃钢贮罐的设计中，在产品设计阶段可以提高结构设计的可靠性，有效地缩短产品设计周期和试验费用。本课题经过了长时间的准备，调研了玻璃钢企业对产品设计和分析的需求，主要针对立式玻璃钢贮罐开展以下几个方面的研究：建立了玻璃钢贮罐有限元分析流程；对贮罐在装满水后的应变应力进行了分析，并对贮罐结构进行了优化。

关键词：玻璃钢；立式贮罐；设计；有限元；ANSYS

1 玻璃钢贮罐的结构

1.1 贮罐壁厚

1.2 贮罐底板尺寸

根据ASTM-D3299中规定，如图2底板厚度tbo=9.5，罐壁下部t=26.3，拐角处tb=25，加强段L=300，过渡段M=100。

2 立式玻璃钢贮罐水压静载荷条件下的有限元分析

2.1 单元类型

文章设计的玻璃钢立式贮罐属于薄壳类，所以要在层合单元和多层单元两者之间进行选择。由于本贮罐的材料均为玻璃钢，为了简化模型，可以将材料等效均匀化，所以文章采用的是层合单元。文章选择SHELL281层合单元建立玻璃钢立式贮罐的模型。

2.2 材料属性

文章分析的玻璃钢贮罐采用缠绕工艺，由长纤维缠绕而成，贮罐材料的力学性能由拉伸试验测得，具体参数见表1。

2.3 网格划分

ANSYS的网格划分包括自由网格划分和映射网格划分两种。文章分析的玻璃钢立式贮罐属于圆柱型封闭壳体，形状比较规则，所以采用映射网格划分最为适合，圆柱曲面的网格单元形状为四边形，为了保证网格从罐壁到贮罐底面均匀过渡，贮罐底部采用的网格形状为三角形。为了提高计算结果的准确度，网格单元大小不要过大并尽量分布均匀。由于文章主要是分析贮罐在水压试验下的应变，本贮罐按规定容积盛满水后，罐顶并不承受水压，所以在划分网格时，并未对罐顶进行划分。

2.4 边界条件及约束情况

玻璃钢立式贮罐在工作过程中是被放置在基础底面上，且固定不动的。因此要对贮罐底部施加约束载荷，即对底部所有节点的x、y、z三个方向的自由度全部约束。

随着深度的增加，液压也随之增加，所以需对罐壁施加梯度力。

2.5 有限元计算结构与分析

由于玻璃钢贮罐承受水压梯度力，为节约材料，玻璃钢的壁厚的设计为自下而上逐渐变薄。文章为简化模型，将壁厚设置为均厚。文章将ansys引入玻璃钢贮罐的设计和分析中主要是计算水压下玻璃钢贮罐的最大应变值，另外出于产品优化设计方面的考虑，文章对不同壁厚的贮罐进行了水压分析。

从计算结果上看，可以得出以下结论：

a.本罐体依然与大多数压力容器一样，稳定性依然是其主要控制因素。

b.值得注意的是无论是承载力，位移还是屈曲分析，均未将罐体保护层厚度对承载力，变形和稳定性贡献，因此结果均相对保守。

c.如將期望的承载力安全系数和稳定性安全系数设定为10，同时将保护层贡献计算在内，文章认为罐体的结构层设计厚度可采用21.1mm。保护层厚度内外各为2mm，总厚度为25.1。相比于原设计26.3mm厚设计方案，预计可节约成本约20%左右。