第七章 復(fù)合材料典型產(chǎn)品設(shè)計.pptx

1、第7章 復(fù)合材料典型產(chǎn)品設(shè)計,7.1 復(fù)合材料貯罐設(shè)計 7.2 纖維纏繞內(nèi)壓容器設(shè)計 7.3 管道設(shè)計 7.4 冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計 7.5 地面雷達(dá)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計,7.1 復(fù)合材料貯罐設(shè)計,7.1.1 概述 7.1.2 臥式貯罐設(shè)計 7.1.3 立式貯罐設(shè)計,在當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)的復(fù)合材料制品中，玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料（俗稱玻璃鋼）的貯罐占有相當(dāng)?shù)谋戎?。玻璃鋼貯罐有較好的耐腐蝕性和承載能力，與金屬貯罐相比，制造工藝比較簡單且容易修補，所以，在石油、化工等部門已有逐步替代簡述貯罐的趨勢。近幾年來，我國生產(chǎn)的玻璃鋼貯罐已由中小噸位向大噸位發(fā)展，最大的玻璃鋼貯罐容積已達(dá)到1500m3。 目前貯罐的設(shè)計方法主

2、要有兩種，一種是以強度為標(biāo)準(zhǔn)，在一定的安全系數(shù)下，使貯罐的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力；另一種是以變形為標(biāo)準(zhǔn)，使貯罐的應(yīng)變不超過規(guī)定值。在實際產(chǎn)品設(shè)計中，由于材料強度極限的數(shù)據(jù)積累比較充分，而且能方便地使用最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則及相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，所以第一種方法較通用，而應(yīng)變設(shè)計方法在變形需要嚴(yán)格控制時才使用。,7.1.1 概述,2020年8月21日,3,玻璃鋼貯罐按照使用功能與放置場地的不同，可以有多種結(jié)構(gòu)形式。按使用壓力的不同，有壓力貯罐和常壓貯罐之分；按形狀不同有圓柱形、球形、箱形等結(jié)構(gòu)形式；按置于地面或運輸車上有靜置貯罐和運輸貯罐之分。不論哪種貯罐，從結(jié)構(gòu)上來說都是各種形狀的殼體組合而成，且壁厚通常

3、由四部分材料組成： 內(nèi)表層 也稱防腐防滲層，其作用是抵抗介質(zhì)腐蝕，防止液體滲漏。此層的形成一般有兩種方法：一種是采用玻璃纖維表面氈、有機纖維表面氈或其它增強材料的富樹脂層，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。,7.1.1 概述,2020年8月21日,4,2020年8月21日,5,次表層 也稱過渡層，其含膠量比內(nèi)表層低，約7080%，通常由短纖維支撐，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，次表層可對介質(zhì)起一定的阻擋作用，一面承力的結(jié)構(gòu)層立即遭到損傷，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。 結(jié)構(gòu)層

4、這一層是貯罐壁的主要結(jié)構(gòu)，用來承受外載荷，有連續(xù)纖維纏繞成型，或由纖維織物手糊成型，含膠量為3555。玻璃鋼貯罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是確定這一層的鋪設(shè)方式和厚度。,7.1.1 概述,2020年8月21日,6,外表層 這一層是貯罐結(jié)構(gòu)層的外保護(hù)層，其功能是保護(hù)結(jié)構(gòu)層免受外界的機械損傷和外界環(huán)境條件引起的老化。同時也是對貯罐外表的裝飾。這一層含膠量較高，約為6070%。外表層也可用樹脂膩子修飾后噴漆處理。 玻璃鋼貯罐結(jié)構(gòu)設(shè)計師還必須考慮一些附屬構(gòu)件，如連接管的法蘭盤，共操作人員進(jìn)出的人孔，以及口蓋或頂蓋等。,7.1.1 概述,2020年8月21日,7,2020年8月21日,8,A 端部支承臥式貯罐的內(nèi)力

5、與變形 對于支承位置在端部，如下圖所示，由于封頭剛性較大，其最大應(yīng)力及變形在貯罐中部。,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,9,上圖所示的圓柱形貯罐，當(dāng)貯罐裝滿液體后，作用在罐壁上的壓力沿高度呈三角形分布，若以貯罐橫截面的圓心為坐標(biāo)原點，則水壓的分布載荷為：,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,10,(7-1),式中為介質(zhì)密度，R為貯罐半徑。 取貯罐的坐標(biāo)系軸向為x，周向為。對離開端部相當(dāng)遠(yuǎn)處所取的罐壁微元體abcd，其內(nèi)力與位移分量如上圖，由無力矩理論得其平衡方程為：,(7-2),旋轉(zhuǎn)殼體在內(nèi)壓力作用下發(fā)生變形，在殼壁中產(chǎn)生拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，當(dāng)殼體的壁厚很薄時彎曲應(yīng)力

6、比拉應(yīng)力小得多（理論上可證明，拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之比和殼體半徑與壁厚之比是同量級的）。在工程應(yīng)用中，常忽略彎曲應(yīng)力而只考慮拉應(yīng)力的影響，這對一般的工程設(shè)計有足夠的精度。這種分析問題的方法稱為“無力矩理論”，由此求得的旋轉(zhuǎn)殼體中的應(yīng)力稱為“薄膜應(yīng)力”。 無力矩理論由于簡單易行，而且在一般的工程應(yīng)用中有足夠的精確度，因而得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于某種原因使殼體中產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力較大而不能忽略時，就不宜再用無力矩理論。所以無力矩理論的應(yīng)用是有條件的，這些條件是： （1）殼體曲率半徑的變化是連續(xù)的、無突變，殼體的厚度也無突變； （2）構(gòu)成同一殼體材料的物理性能（E、等）是一致的； （3）作用在殼體上的外載

7、荷是連續(xù)的，沒有突變或集中載荷作用； （4）殼體邊界處只有沿經(jīng)線切線方向的約束，而經(jīng)線的轉(zhuǎn)動和法向位移均不受約束。 以上只要有一條不滿足，就不能應(yīng)用無力矩理論，而應(yīng)按有力矩理論進(jìn)行分析。,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,11,由此可解得內(nèi)力為：,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,12,(7-3),對于正交各向異性材料的罐壁，其內(nèi)力與應(yīng)變的關(guān)系為：,(7-4),式中aij為面內(nèi)柔度系數(shù)。將(7-3)代入(7-4)，展開得：,(7-5),對式(7-5)積分即可得到臥式貯罐的位移為：,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,13,(7-6),在x=0, =的擾度

8、最大，則：,(7-7),B 鞍形支座臥式貯罐設(shè)計 載荷分析 兩支座支承的臥式貯罐受力模型如右圖所示，計算時可簡化為簡支梁。作用在筒體上的載荷有介質(zhì)載荷和貯罐自重，分布載荷集度為：,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,14,(7-8),式中L, m和t分別為介質(zhì)的密度，貯罐材料的密度和貯罐的壁厚。在工程中，自重所占的比例僅為介質(zhì)質(zhì)量的510%，貯罐溶劑越大，該比例越小，因此，上式可簡化為：,(7-9),對于貯罐的封頭部分，無論橢球、球形或蝶形封頭，其體積可用下式計算：,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,15,(7-10),式中，H為封頭的深度，于是封頭中介質(zhì)的質(zhì)量為：,

9、(7-11),上式可認(rèn)為相當(dāng)于貯罐的兩端分別被加長了2H/3，此時貯罐的長度為（L+ 4H/3），稱為貯罐的當(dāng)量長度，于是總載荷為：,(7-13),貯罐的軸向應(yīng)力計算 若將兩支座的臥式貯罐簡化為一個簡支梁，按理論計算的軸向應(yīng)力和應(yīng)變均很小，在金屬貯罐設(shè)計中一般不用考慮。但在較大容量的玻璃鋼貯罐中，由于筒體變得扁平而使實際的軸向應(yīng)力遠(yuǎn)比按簡支梁理論計算的結(jié)果大，且分布復(fù)雜，目前尚不能用簡單的方法進(jìn)行精確計算。通?？砂聪率剿愕玫妮S向應(yīng)力進(jìn)行強度校核：,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,16,(7-14),式中，k為載荷系數(shù)，實驗表明，k13.4，0max為按梁理論和內(nèi)壓算得的最大軸向

10、應(yīng)力，可由下述方法求得。按簡支梁算得的最大應(yīng)力為：,(7-15),上式中，Mmax是最大彎矩，可能發(fā)生在中部或者支座處。另外，若貯罐同時承受內(nèi)壓力p，由內(nèi)壓所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力為：,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,17,(7-16),于是貯罐上的最大軸向應(yīng)力為：,(7-17),貯罐的剪應(yīng)力計算 在支座處截面的剪力最大，因此計算剪應(yīng)力是應(yīng)取支座截面處的剪力。分內(nèi)外兩側(cè)考慮，如下圖所示：,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,18,當(dāng)取截面內(nèi)側(cè)時：,(7-18),當(dāng)取截面外側(cè)時：,(7-19),7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,19,罐壁上任一點的剪切力為：,(

11、7-20),當(dāng) 時，該處的剪切力最大：,(7-21),為了確定最大剪應(yīng)力，Q應(yīng)取Qi與Qo中的較大者。,貯罐的環(huán)向應(yīng)力計算,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,20,貯罐的環(huán)向應(yīng)力計算,半球形的封頭 受力均勻，與筒體的連接是平滑過渡，局部附加應(yīng)力小，所以鋼制貯罐尤其是高壓容器適于采用這種封頭，但由于這種封頭深度大，手糊成型不方便，而且脫模比較困難，故玻璃鋼貯罐很少使用這種形式的封頭。,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,21,碟形封頭 由球缺和折邊圓環(huán)組成的幾何體，故又稱帶折邊的球形封頭。這種封頭成型和脫模都比較方便，但受力不均，有較大的附加應(yīng)力，需要進(jìn)行應(yīng)力校核。封頭的最大應(yīng)力可按下式計算：,(7-39),式中p為貯罐內(nèi)壓；t為結(jié)構(gòu)層厚度；R為封頭球缺的半徑；M為形狀系數(shù)：,(7-40),式中r為過渡圓的半徑。,7.1.2 臥式貯罐設(shè)計,2020年8月21日,22,半橢球形封頭 由半橢球形封頭上個點的徑向應(yīng)力L和環(huán)向應(yīng)力T隨位置變化，在封頭中心處徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力相等，其值為：,(7-41),而在封頭與筒身的連接處：,(7-42),封頭的壁厚t通常采用如下公式計算：,(7-44)