真空壓力容器外筒體失穩(wěn)分析報告文案

1、.BD4706低溫液體槽車外筒體的失穩(wěn)分析計算報告專業(yè) .專注.張家港中集圣達因低溫裝備有限公司2014年2月目錄一、計算目的2二、設計及計算依據(jù)2三、計算條件2四、有限元計算分析軟件的選取3五、低溫液體運輸車外罐的有限元分析計算35.1 計算模型的建立35.2 計算載荷的處理65.3 邊界條件65.4 應力計算結(jié)果75.5 特征值屈曲分析下外筒體的失穩(wěn)模態(tài)75.6 失穩(wěn)臨界壓力結(jié)果8專業(yè) .專注.六、結(jié) 論10專業(yè) .專注.一、計算目的我公司設計的BD4706 型低溫液體運輸車 ，其基本結(jié)構(gòu)為具有內(nèi) 、外圓筒的雙層結(jié)構(gòu) ，內(nèi)容器貯存低溫液體，內(nèi)容器與外殼之間的夾層填充絕熱材料且抽真空 ；內(nèi)容

2、器與外殼之間通過八組環(huán)氧玻璃鋼支承。外殼通過墊板及前牽引支座、后支架鋼梁與車輛連接以方便運輸。為了降低罐體重量 ，增加最大充裝量 ，提高車子運行時的經(jīng)濟性，對低溫液體運輸車的外筒體角鋼加強圈進行了新的布置。本計算報告對該型低溫液體槽車外罐的外壓穩(wěn)定性計算分析與比較，為該產(chǎn)品的安全及其進一步改進和優(yōu)化等提供了結(jié)構(gòu)有限元分析基礎。二、設計及計算依據(jù)1） GB1502011 壓力容器 2） JB4732-1995鋼制壓力容器 分析設計標準 2005 確認版3） BD4706 低溫液體槽車設計圖紙及技術(shù)條件三、計算條件低溫液體運輸車外容器的主要設計條件見下表，其他條件見設計圖紙及技術(shù)資料 。 其外容器

3、的三維示意簡圖見圖5-1設計參數(shù)外殼專業(yè) .專注.設計壓力MPa-0.1工作壓力MPa-0.1計算壓力MPa-0.1設計溫度-2050工作溫度-2050貯存介質(zhì)LNG腐蝕裕量mm0焊接接頭系數(shù)0.85主要受壓元件材料Q345R筒體幾何尺寸mm2486 ×5加強圈尺寸mm63×35×5.0容器類別三類絕熱形式高真空多層絕熱致密性檢驗氦檢漏表 3-1BD4706 低溫液體槽車外罐主要設計條件四、有限元計算分析軟件的選取本次計算采用ANSYS 公司的有限元分析軟件 ANSYS 做前后處理與分析計算 。 ANSYS 是國際上最先進的大型通用有限元分析軟件之一，已廣泛地應用

4、于工程上的各種計算與分析。它除了可以進行一般的結(jié)構(gòu)分析外，還可以進行熱分析 、流體分析 、電/ 磁場分析等多種物理場分析，以及熱 - 應力分析 、電磁 -熱分析、流體 - 結(jié)構(gòu)分析 、壓電分析等藕合場分析 。專業(yè) .專注.該計算程序已獲得全國壓力容器標準化技術(shù)委員會的認可，可以作為我國壓力容器設計計算的有限元應力計算與分析軟件。五、低溫液體槽車結(jié)構(gòu)的有限元分析計算本次低溫液體槽車結(jié)構(gòu)的有限元分析計算只包括外罐筒體的臨界失穩(wěn)外壓計算，其他部件的計算見設計圖紙及常規(guī)計算書。5.1 計算模型的建立為了簡化計算和降低計算規(guī)模，同時又保證計算結(jié)果的可靠性，根據(jù)低溫液體運輸車的結(jié)構(gòu) ，載荷和約束特點 ，有

5、限元計算采用外殼的整體模型來建模，包括外筒體 ，外前封頭 ，外后封頭 ， L 型角鋼加強圈 。 不包括外罐其他附件結(jié)構(gòu)。其中筒體 、封頭采用三維殼單元，角鋼加強圈采用自定義截面的三維梁單元。該外罐結(jié)構(gòu)共使用了12318 三維殼單元 (SHELL181)和 3440 個三維梁單元（ BEAM188 ），共 15758 個節(jié)點，約 7.5 萬自由度 。針對加強圈與罐體 ，定義了三個截面類型 （ SECTYPE），分別對應筒體 ，封頭，角鋼圈的截面 。 該外罐結(jié)構(gòu)的有限元實體及單元網(wǎng)格見圖 5-1,5-2 所示 。專業(yè) .專注.圖 5-1 低溫液體運輸車外罐結(jié)構(gòu)的幾何模型示意圖圖 5-2低溫液體運輸

6、車外罐有限元計算模型單元網(wǎng)格圖專業(yè) .專注.圖 5-3 低溫液體運輸車外罐有限元計算模型單元網(wǎng)格圖5. 2. 計算載荷的處理導致低溫液體運輸車外罐失穩(wěn)的主要載荷為外殼承受的大氣外壓P 外。在 5.5 節(jié)特征值屈曲計算過程中取P 外=0.1MPa ，以均壓法向方式加在外殼表面 。在 5.6 節(jié)考慮初始缺陷的非線性屈曲計算過程中，取 P 外=0.4286MPa ，以均壓法向方式加在外殼表面。該值是 5.5 節(jié)中特征值屈曲計算的結(jié)果。5.3 邊界條件為了防止在計算過程中出現(xiàn)剛體位移，選取若干節(jié)點 ，限制了罐體在圓周方向和軸向上的自由度 。圖 5-3 即為槽車外罐結(jié)構(gòu)加上P 外載荷及位移邊界條件的有限

7、元計算模型示專業(yè) .專注.意圖。圖 5-4 運輸車外罐結(jié)構(gòu)的載荷示意圖5.4 應力計算結(jié)果ANSYS 有限元軟件可用彩色云圖輸出結(jié)構(gòu)計算模型中的節(jié)點位移值、各種應變及應力值等 。本次報告采用的應力為第三強度理論中“應力強度 ”。在外壓作用下外罐的應力強度分布如下圖所示：專業(yè) .專注.圖 5-5 外罐在 P 外壓力下的應力強度分布 （剖視圖）由上圖可知 ，外罐在外壓作用下的最大應力強度區(qū)分布在封頭過渡段內(nèi)表面，為 80.795MPa ，低于材料的許用應力 。并且該部件的設計計算及校核已由常規(guī)計算保證 ，這里不再展開應力線性化評判。5.5 特征值屈曲分析下外筒體的失穩(wěn)模態(tài)本計算過程采用線彈性特征值

8、屈曲分析以確定失穩(wěn)模態(tài)及臨界壓力。施加的載荷 P 外=0.1MPa 。特征值屈曲分析解是一項理論解，該分析方法得到的結(jié)果比考慮幾何非線性的屈曲分析得到的結(jié)果不保守。通常用該過程來獲得結(jié)構(gòu)的初始缺陷及非線性求解載荷 ，為后面的進一步分析作準備。專業(yè) .專注.圖 5-5 外罐的臨界載荷及失穩(wěn)模態(tài)在特征值屈曲分析中 ，施加外壓 p=0.1MPa ，通過計算我們可以得到載荷因子：FACT = 4.28601152由此可知 ，外罐的特征值屈曲分析的臨界失穩(wěn)壓力：Pcr0.1×4.286=0.4286MPa ，失穩(wěn)時圓周方向波數(shù)為2。5.6 失穩(wěn)臨界壓力結(jié)果按 5.5 節(jié)中的分析結(jié)果獲得結(jié)構(gòu)的幾

9、何缺陷和載荷 ，該方法考慮了制造過程中產(chǎn)生的圓度誤差 ，更加貼近實際情況 。施加的載荷為 5.5 中所得到的臨界失穩(wěn)壓力 Pcr=0.4286MPa ，施加的幾何缺陷量為5.5 節(jié)中計算得到的節(jié)點位移量的4專業(yè) .專注.倍。選用弧長法進行迭代求解，設置初始子步為 10 ，載荷以線性方式加載 。經(jīng)過 ANSYS 的迭代求解及后處理的相關(guān)換算可得到下圖：圖 5-6 幾何非線性屈曲分析的載荷 - 位移曲線圖 ，可以看出外殼結(jié)構(gòu)在外壓載荷約 0.42MPa 時筒體變形開始無限增大結(jié)果集時間步載荷步子步時間步增量390.970011391.03E-04400.970091408.67E-05410.97

10、0171417.16E-05420.970221425.75E-05430.970271434.43E-05專業(yè) .專注.440.97031443.18E-05450.970321452.01E-05460.970331469.04E-06470.97033147-1.48E-06480.97032148-1.15E-05490.97029149-2.10E-05500.97026150-3.01E-05510.97023151-3.89E-05520.97018152-4.73E-05表 5.1 非線性求解列表根據(jù)圖 5-6 的曲線圖及 5.1 非線性求解列表可知 ，載荷在第 46 個子步達到最大值，隨后的載荷 - 位移曲線圖呈下降趨勢 ?？梢耘袛嗟?46 個子步對應的載荷即為臨界失穩(wěn)壓力 。Pcr=0.