大直径玻璃钢塔器平封头的优化设计

白英新，曲海飞

(昊华中意玻璃钢有限公司，石家庄 050091)

大直径玻璃钢塔器平封头的优化设计

白英新，曲海飞

(昊华中意玻璃钢有限公司，石家庄 050091)

探索大直径平封头合适的计算方法。对平封头结构进行优化设计：采用平板加筋结构。利用有限元分析软件对其结构进行模拟计算，得出应力应变云图，并对其校核。为大直径平封头的设计提供了一种方法。

平封头；玻璃钢塔器；炭法烟气脱硫塔；有限元；优化设计

1 引 言

玻璃钢以其优异的特性在航海、建筑、交通、环保、电子、化工、城市景观等领域得到非常广泛的应用，成为一种与国计民生休戚相关的功能性材料。玻璃钢的发展，不但推动了国家材料工业的进步，缩短了我国与发达国家的差距，而且拉动了地方经济的发展。

目前，昊华中意玻璃钢有限公司制作的8台直径9m的新型炭法烟气脱硫塔(图1)。

图1 直径9 m的新型炭法烟气脱硫塔

此塔为玻璃钢平封头塔器，平封头与圆形、椭圆形、蝶形、锥形封头相比，它的受力情况是最差的，但有时因场地条件对塔器的高度有限制，不能超过指定的高度，这时必须采用平封头结构，如此大直径的平封头的设计方案需要优化。

2 大直径玻璃钢塔器平封头的常规设计

根据HG/T20696-1999《玻璃钢化工设备设计规定》的规定，圆形平封头最小厚度t计算公式为：

(1)

其中：D—储罐直径；

K—安全系数，取决于平封头和筒体的连接方式；

P—设计压力,MPa;

[σ]—平封头材料许用应力,MPa。

代入(1)计算厚度t=75 mm，由此得出的计算厚度值比较大，一方面产品的制造成本偏高，另一方面施工工艺也很难掌握。为了降低制造成本并保证强度，我们对平封头进行了优化设计：采用平板加筋的形式。需要解决的问题是如何加筋、加筋的形式及数量需满足使用要求。平板加筋的设计采用解析解计算偏差较大且很困难，而有限元软件对模拟复合材料有很多优势，因此我们利用大型通用有限元分析软件ANSYS对加筋的平封头进行了模拟分析。

3 大直径玻璃钢塔器平封头的优化设计

3.1 平封头的三维建模

平封头的几何形状见图2，根据设计经验平板厚度首先取20 mm，筋板厚(宽)度为10 mm，高度为100 mm进行模拟计算。筋板与平板双侧粘接牢固，筋板纵横各6根均布，材质为玻璃钢。平封头与塔体按设计要求内外粘接并且交叉缠绕外包角。

图2 平封头几何形状图

图3为划分网格图，壳选用shell63单元和梁选用beam189单元进行网格划分，在平封头与塔体的连接处施加全约束，平封头仅受自身的重力载荷，并且保证在100×100 mm的面积上施加1 110 N不允许有永久变形和裂纹。玻璃钢平封头材料特性取如下值：弹性模量：12 000 MPa，泊松比：0.3，密度按1.6 g/cm3计算，强度值取：140 MPa，强度安全系数取：10。

3.2 模拟结果

下面对平封头的应力状态进行分析，首先查看一下shell63单元和beam189单元组成平盖总的Von- Mises应力应变水平，如图4～5所示。

从图4看出只有筋板处由于约束作用应力较大，σmax=13.725 MPa<〔σ〕=14 MPa，从图5可以看出εmax=0.751‰<[ε]=1‰，所以满足设计要求。

图3 平封头建模及加载图

图4 应力状态水平

图5 应变状态水平

再分别查看shell 63单元和beam189单元应变水平，如图6～7所示。

从图6～7看出罐顶筋的应变水平比平板的应变水平高，对于平封头来说筋主要抵抗由于重力产生的变形，但并不是筋本身的惯性矩越大越好，太大容易造成筋本身的应力集中，所以在对筋的截面尺寸选取时要综合考虑，尽量使筋和平封头共同承担由重力及其它荷载产生的变形。

图6 shell 63单元的应变云图

图7 beam189单元的应变云图

4 结 语

以上优化设计降低了生产成本，提高了制作效率，利用有限元分析软件对大直径平封头进行模拟计算，是一种快捷有效的计算方法，并且通过用户的使用证明文中计算结果和实际情况基本吻合，满足用户的使用要求。

[1] 玻璃钢化工设备设计规定HG/T20696-1999. 北京：全国化工工程建设标准编辑中心，1999：49-52.

[2] 余伟炜，高炳军. ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007：204-455.

[3] 李卓球，岳红军. 玻璃钢管道与容器[M]. 北京：科学出版社，1990：382-494.

Design Optimization on the Flat Heads of Large FRP Towers

BAI Yingxin，QU Haifei

(Hao Hua Zhongyi GFRP Co.,Ltd, Shijiazhuang,Hebei Province 050091)

Exploring the calculation method on the large flat heads. Structural optimization of the flat heads by means of reinforcement ribs on the flat heads. Simulation calculation, strength & stress chart plotting and verification are carried out by means of finite element analysis software. A new method is provided for the design of large flats heads.

flat heads; FRP towers; activated carbon flue gas ; finite element; the optimization of design

2016-07-19)

白英新(1975-)，女，河北人，本科，工程师。研究方向：复合材料设备设计。E-mail：baiyingxin0@126.com.