玻璃鋼貯罐設(shè)計(jì)

1、玻璃鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程任務(wù)報(bào)告書(shū)項(xiàng)目三玻璃鋼貯罐設(shè)計(jì)復(fù)材141 第 13 組 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 項(xiàng)目組成員： 指導(dǎo)老師 ：楊 娟綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系 2014-2015 學(xué)年第 2學(xué)期玻璃鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì) 課程任務(wù)書(shū)班級(jí) 復(fù)材141 部門(mén)（組） 第 13 組 任務(wù) 項(xiàng)目三 一、任務(wù)題目：任務(wù)一：設(shè)計(jì)任務(wù)為50t臥式貯罐，貯存質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硝酸，使用溫度為常溫。任務(wù)二：設(shè)計(jì)條件 貯罐直徑D=3.5m，高H=7m；罐頂為錐形頂蓋，錐體母線與水平面夾角=20 º；罐底為平底，直接安裝在基礎(chǔ)平面上，罐體內(nèi)液體密度l=1.2t/m3。貯罐頂均勻雪荷載p=400N/m2，風(fēng)壓W=300N/m2，無(wú)地

2、震。玻璃鋼材料的拉伸強(qiáng)度=140Mpa，安全系數(shù)K=10。二、任務(wù)內(nèi)容和要求：（1）內(nèi)容及要求：1. 通過(guò)查閱資料選擇貯罐各層所用的原材料；2. 分析已知條件，初步確定貯罐結(jié)構(gòu)尺寸；3. 通過(guò)對(duì)貯罐受力分析，確定設(shè)計(jì)貯罐筒體壁厚；4. 確定封頭、支座壁厚，寬度等參數(shù)。（2）任務(wù)報(bào)告要求任務(wù)報(bào)告內(nèi)容包括封面、任務(wù)書(shū)、正文、總結(jié)（收獲體會(huì)）、參考文獻(xiàn)。任務(wù)報(bào)告統(tǒng)一用A4紙打印，版面邊距上空2.5cm，下空2cm，左空2.5cm，右空2cm；正文用宋體小四號(hào)字；頁(yè)碼底端居中，小五號(hào)字；行間距：固定值19磅。（3）進(jìn)度要求：任務(wù)下達(dá)日期： 2016 年 3月 21 日任務(wù)完成日期： 2016 年 4

3、月 4 日（4）其它要求各組成員必須服從組長(zhǎng)安排，積極配合、認(rèn)真完成下達(dá)任務(wù)并按時(shí)提交任務(wù)報(bào)告。任務(wù)一：設(shè)計(jì)任務(wù)為50t臥式貯罐，貯存質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硝酸，使用溫度為常溫。一、選擇貯罐各層所用的原材料（1）內(nèi)表層： 其功能是抵抗介質(zhì)腐蝕，是防腐蝕結(jié)構(gòu)的主要組成部分。其制造方法有兩種。一是用玻璃纖維表面氈、有機(jī)纖維表面氈或其他增強(qiáng)材料的富樹(shù)脂層，要求含膠量達(dá)到90%左右，其厚度為0.25mm0.5mm。二是采用熱塑性塑料，如聚氯乙烯或橡膠等內(nèi)襯材料。（呋喃樹(shù)脂，中堿纖維）（2）次表層： 其含膠量比內(nèi)表層低，約70%80%。通常采用短切纖維做成的短切氈鋪成；其主要功能是防止介質(zhì)滲漏。次表層通常至

4、少含有1200g/的短切原絲氈。內(nèi)表層和次表層因選用韌性好、沖擊強(qiáng)度搞高的耐腐蝕性樹(shù)脂。內(nèi)表層和次表層的組合纖維含量應(yīng)為（27±5）%，組合厚度不小于2.5mm。（3）結(jié)構(gòu)層： 其是儲(chǔ)罐的主要結(jié)構(gòu)，用來(lái)承受外載荷，由連續(xù)纖維纏繞成型或由纖維織物手糊成型，含膠量35%55%。玻璃鋼儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定這一層的普曾方式和厚度。（4）外表層： 它是儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)層的外保護(hù)層。主要功能是保護(hù)結(jié)構(gòu)層免受外界機(jī)械損傷和外界環(huán)境條件引起的老化。同時(shí)也是對(duì)儲(chǔ)罐外表面的裝飾。其含膠量約為60%70%。外表層也可以用樹(shù)脂膩?zhàn)有扪a(bǔ)后噴漆處理。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、貯罐構(gòu)造設(shè)計(jì)容積換算 濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的硝酸,

5、 其密度為L(zhǎng)=1.25t/m2 , 50t硝酸的體積為 V=50/1.25=40m3。貯罐構(gòu)造尺寸確定 貯罐直徑取2.5m，則貯罐長(zhǎng)度為L(zhǎng)=V/(D/2)2=40/4.9=8.16m。初定貯罐結(jié)構(gòu)尺寸為 : D=2.5m L=8m封頭形式確定 選用半橢球形封頭，H=0.6×(D/2)=0.75m.伸臂長(zhǎng)度確定 根據(jù)規(guī)定A0.2L，即A=0.28=1.6m。支座及間距 選用鞍形支座，寬0.2m，包角120°。支座間距為:L-2A=8-3.2=4.8m2、貯罐荷載和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖貯罐構(gòu)造，如圖所示荷載計(jì)算 單位長(zhǎng)度荷載為 q=1.1R2L=1.1×3.14×1.2

6、52×1.25=6.74t/m=67.4KN/m3、貯罐應(yīng)力計(jì)算 按雙支座外伸梁計(jì)算貯罐受力。計(jì)算長(zhǎng)度 L計(jì)=L+2×2/3H=8+2×2/3×0.75=9m貯罐承受荷載的彎矩及剪力如圖。受力計(jì)算 a支座反力 FA=FB=1/2q(L+4/3H) =67.4/2(8+4/3×0.75) =303.3kNb支座處剪力 當(dāng)取支座內(nèi)側(cè)截面時(shí)， Q內(nèi)=FA×1.6-2/3×67.4×0.75=161.8kN當(dāng)取支座外側(cè)截面時(shí)， Q外=qA+2/3qH=67.4×1.6+2/3×67.4×0.7

7、5=141.5kNc支座和跨中彎矩 支座處彎矩計(jì)算 MA=-1/2q(A+2/3H)2=67.4/2×(1.6+2/3×0.75)2=-148.6kN ·m 跨中彎矩計(jì)算 Mm=1/2q(L+4/3H)2-1/2q(L+4/3H) ×(L/2-A) =67.4/2×(8+4/3×0.75)2-67.4/2×(8+4/3×0.75) ×(8/2-1.6) =2001.8kN·m4、由貯罐軸向應(yīng)力計(jì)算壁厚 貯罐貯罐軸向應(yīng)力發(fā)生在跨中貯罐底部和支部處貯罐的頂部，計(jì)算結(jié)果取最大值?？缰匈A罐底部軸向應(yīng)力按

8、公式=R2L/t+Mmax/R2tx纏繞聚酯玻璃鋼的軸向拉伸強(qiáng)度由材料力學(xué)第3章表3-13差得為85165MPa，取強(qiáng)度值160MPa。則x=160/K，K為載荷系數(shù)，試驗(yàn)表明K=13.4。則x=11.9 MPa（119kg/cm2）, 由材料力學(xué)改變式（410）為求貯罐底部厚度，則 t=R2L/x+Mmax/R2x =1252×0.00125/119.420018000/3.14×1252×119.4 =3.69cm支座處貯罐頂部厚度Max=MA/R2t即t= MA/R2x t=1486000/3.14×1252×119=0.254cm5、按

9、剪力計(jì)算支座處貯罐厚度 貯罐的最大剪力發(fā)生在支座底部，當(dāng)支座處有加強(qiáng)圈時(shí)，按式（414）計(jì)算。 Max=QMax/Rt 即t= QMax/R聚酯玻璃鋼的剪切強(qiáng)度為8.9 MPa，取安全系數(shù)為8，則=1.11 MPa t=16180/3.14×125×11.1=3.7cm6、按環(huán)向應(yīng)力計(jì)算貯罐厚度 貯罐環(huán)向應(yīng)力的最大值，發(fā)生在支座處。設(shè)支座處的貯罐壁厚t=3.7cm，支座寬度Bo=20cm，則單元環(huán)的有效寬度B按式（420）計(jì)算。 B=B0+2(Rt)1/2/3(E0/EL)(1-0L)1/4 纏繞聚酯玻璃鋼的環(huán)向和軸向彈性模量分別為2×10和1×104，

10、其泊松比為0.3和0.15，代入上式，則單元環(huán)的有效寬度為： B=20+2×（125×3.7）1/2/3×2×104/1×104×(1-0.3×0.15)1/4 =20+2×21.5/1.55=47.7cm當(dāng)=1200時(shí)，由表42查得=0.053。由表313差得纏繞玻璃鋼的環(huán)向拉伸強(qiáng)度為=300 MPa 彎曲強(qiáng)度為=150 MPa。按式（425）求得 =N/Bt+ M/R2t 即t= N/By+ M/R2m取安全系數(shù)K=8，則y=300/8=37.5MPa, m=150/8=18.75MPa。t=0.34×

11、;3033/48×37.5+0.053×3033×125/3.14×1252×18.75 =0.57+0.04=0.61cm7、半橢球形封頭壁厚計(jì)算 按式（428）計(jì)算半橢球形封頭壁厚tPDM/2y=1.25×250×0.79/2×37.5=0.33cm式中y=300/8=37.5MPaM=1/62+（D/2H）2=1/62+（250/2×75）2=0.798、設(shè)計(jì)結(jié)果處理 由軸向應(yīng)力計(jì)算貯罐中壁厚，t=36.9mm;由支座剪力計(jì)算支座底部壁厚，t=37mm;按環(huán)向應(yīng)力驗(yàn)算支座處壁厚，t=6.1mm;封頭

12、強(qiáng)度計(jì)算壁厚，t=3.3mm。綜上計(jì)算結(jié)果，考慮到纏繞成型的特點(diǎn)，確定：罐體、封頭及支座處壁厚均選用37mm;在支座處設(shè)加強(qiáng)圈，其寬度為50cm。任務(wù)二：設(shè)計(jì)條件 貯罐直徑D=3.5m，高H=7m；罐頂為錐形頂蓋，錐體母線與水平面夾角=20 º；罐底為平底，直接安裝在基礎(chǔ)平面上，罐體內(nèi)液體密度l=1.2t/m3。貯罐頂均勻雪荷載p=400N/m2，風(fēng)壓W=300N/m2，無(wú)地震。玻璃鋼材料的拉伸強(qiáng)度=140Mpa，安全系數(shù)K=10。一.各層材料設(shè)計(jì)（1） 內(nèi)表層內(nèi)表層也稱(chēng)防腐防滲層，其作用是抵抗介質(zhì)腐蝕，此層的形成一般有兩種方法：一采用玻璃纖維表面氈，有機(jī)纖維表面氈或其他增強(qiáng)材料的富

13、樹(shù)脂層，要求含膠量達(dá)到90%左右，其厚度約為0.5mm；另一種方法是采用熱塑性塑料如聚氯乙烯或橡膠等內(nèi)襯材料。 設(shè)計(jì)為：樹(shù)脂基體：不飽和聚酯樹(shù)脂；增強(qiáng)材料：中堿玻璃纖維表面氈。（2） 次表層次表層也稱(chēng)過(guò)渡層，其含膠量比內(nèi)襯層低，約為70%80%。常由短切纖維制成。它具有一定的防腐防滲能力。在內(nèi)表層局部出現(xiàn)裂紋時(shí)，次表層可對(duì)介質(zhì)起一定的阻擋作用，以免承力的結(jié)構(gòu)呈立即遭到損傷，從而提高貯罐使用的可靠性和壽命。這一層厚度一般在2mm左右，設(shè)計(jì)為：樹(shù)脂基體：不飽和聚酯樹(shù)脂；增強(qiáng)材料：中間短切纖維。（3） 結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)層是貯罐的主要結(jié)構(gòu)，用來(lái)承受外載荷，由連續(xù)纖維纏繞成型或由纖維織物手糊成型，含膠量為35

14、%55%。玻璃鋼貯罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定這一層的鋪層方式和厚度。設(shè)計(jì)為：樹(shù)脂基體：不飽和聚酯樹(shù)脂；增強(qiáng)材料：中間短切纖維。（4） 外表層它是貯罐結(jié)構(gòu)的外保護(hù)層，其功能是保護(hù)結(jié)構(gòu)免受外界的機(jī)構(gòu)損傷和外界環(huán)境條件引起的老化，同時(shí)也是對(duì)貯罐外表層的裝飾。這一層的含膠量較高，大約為60%70%。外表層可用樹(shù)脂膩?zhàn)有揎椇髧娖崽幚?，最后涂一層防老化劑，厚度約0.2mm，在包一層聚乙烯薄膜。2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）貯罐壁厚計(jì)算 罐體沿高度分為7段，先計(jì)算罐下1m處壁厚 t=（P+lX）/RK （式2-1）式中 P荷載引起的罐壁壓力。P=P雪R2/D=400x3.14x（3.5/2）2/3.14x3.5=35Kg

15、/m=3.5N/cm （式2-2）t1=（0.35+0.0012x100）x175x10/1400=0.625cm依次求得t2=0.7375cmt3=0.8875cmt4=1.0375cmt5=1.225cmt6=1.3375cmt7=1.4875cm根據(jù)最小壁厚原則，對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果，貯罐靠近頂部的壁厚取t1=10.0mm，靠近底部壁厚取t7=15.0mm。（2）貯罐頂蓋厚度設(shè)計(jì)錐形頂蓋根據(jù)強(qiáng)度公式 max=PD/2tsin （式2-3）得厚度計(jì)算公式為 tPD/2 sin （式2-4） =（188+400+300）x3.5/2x140sin200=32.65mm(3)儲(chǔ)罐地板設(shè)計(jì)立式儲(chǔ)罐為平形

16、底時(shí)，底部拐角半徑不小于38mm,底部增厚遞減與平底相切，壁增厚的長(zhǎng)度與儲(chǔ)罐大徑的關(guān)系見(jiàn)圖3.1，拐角加強(qiáng)區(qū)的最小厚度為筒體和封頭的結(jié)構(gòu)厚度之和。圖3.1 平行底儲(chǔ)罐拐角加強(qiáng)示意圖罐底為平板，直接安裝在平面基礎(chǔ)上的瀝青砂漿墊層上。儲(chǔ)罐內(nèi)的液體可直接傳給混凝土基礎(chǔ)，因此，罐底所受的應(yīng)力很小。但罐底和罐壁連接處受力十分復(fù)雜，一般都需要加強(qiáng)，因此，根據(jù)規(guī)定，地板厚度tbo取20mm,罐壁下部t=25mm時(shí)拐角處厚度tb=400mm,加強(qiáng)段L=600mm,過(guò)渡段M=200mm,底部拐角半徑取60mm。（4）層合板鋪層設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐地板為層壓板，對(duì)其進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)。鋪層層數(shù)計(jì)算公式:n=A/mf(Kf+cKr)

17、 （式2-5）式中:n增強(qiáng)材料鋪層層數(shù)mf增強(qiáng)纖維單位面積質(zhì)量；kg/m²kf增強(qiáng)材料的厚度常數(shù)；mm/(kg·m²)c樹(shù)脂與增強(qiáng)材料的質(zhì)量比；A制品的厚度；mmKr樹(shù)脂基體的厚度常數(shù)。內(nèi)表層層數(shù):m(f)=35g/m² k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=0.5mm c=90/(100-90)=9層數(shù)為:n=0.5/0.305×（0.408+9×0.769）2層次表層層數(shù):m(f)=400g/m² k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=2mm c=75/(100-75)3層數(shù)為:n=2.0/0.4（0

18、.408+3×0.769）2層結(jié)構(gòu)層層數(shù):m(f)=340g/ k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=17mm c=50/（100-50）1層數(shù)為:n=17/0.34×（0.408+1×0.769）43層外表層層數(shù):m(f)=250g/ k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=0.5mm c=60/(100-60)=1.5層數(shù)為:n=0.5/0.25×（0.408+1.5×0.769）1層罐底板總層數(shù):N=2+2+43+1=48層。(4)風(fēng)荷作用下儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)地區(qū)風(fēng)壓W。300Pa,計(jì)算風(fēng)壓為W=0.72×W。=0.72×300=216Pa （式2-6）儲(chǔ)罐沿高度方向承受的均布載荷為Pw=0.72W。D=0.72×300×3.5=756N/m (式2-7)由風(fēng)壓引起的最大彎矩和剪力為Mmax=P