低温环境中介质结冰时玻璃钢贮罐的应力分析.pdf

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1、28低温环境中介质结冰时玻璃钢贮罐的应力分析20l4年7月低温环境中介质结冰时玻璃钢贮罐的应力分析李悦，朱四荣，文欢，陈建中(武汉理工大学，武汉430070)摘要：根据复合材料热膨胀系数的细观力学分析，确定玻璃钢贮罐不同铺设单层的热膨胀系数；通过ANSYS大型通用有限元软件，计算了在低温环境--f~_罐内的介质水结冰时由于体积膨胀受到约束而对贮罐产生的应力应变；计算分析了冰块厚度不同时贮罐的应力应变变化规律。计算结果表明，贮罐温度降低、水结冰对玻璃钢贮罐产生不可忽略的附加应力与应变：因贮罐结构设计为变

2、厚度铺层，导致不同厚度的冰块对贮罐产生的最大应力应变差别不是很大；低温环境下使用时，建议贮罐设计时考虑低温与结冰-r~,L的影响。关键词：玻璃钢贮罐；介质结冰；热膨胀系数；应力分析中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2014)07—0028—06l前言随着玻璃钢大型贮罐的使用日益广泛，其分布20世纪80年代末，玻璃钢贮罐在石油、化工、区域也日益扩大，如严寒国家或地区。玻璃钢贮罐冶金、食品、酿造、电力等领域获得广泛应用。随着内的介质水会随着温度的降低而凝结成冰，水在结材料性

3、能与制造工艺的提高，大型玻璃钢贮罐已陆冰的过程中会伴随着体积的膨胀。如果膨胀变形受续使用。如目前国内最大玻璃钢贮罐为直径21m，到外界的约束，在冰层内就会产生热应力]，从而对容积6000m；直径24m，容积5000m的玻璃钢贮罐其约束也就是玻璃钢贮罐产生温度膨胀力。由此而已在胜利油田缠绕制作完成。导致的贮罐罐壁和罐底的应力与应变也是不可忽视玻璃钢材料与结构具有优良的物理性能[1]：的，在某些情形下，温度膨胀力对其约束甚至产生很①玻璃钢轻质高强，比强度比钢、铸铁和塑料高；②大的安全威胁，虽然在一定的低温

4、范围，玻璃钢材料耐化学腐蚀性强，使用寿命长，在储存腐蚀性介质的力学性能与常温相比并无明显改变。所以必须考时，玻璃钢显示出其他材料所无法比拟的优越性，可虑温度膨胀力对玻璃钢贮罐的影响。以耐酸、稀碱、盐和有机溶剂、海水，并耐湿；③设计本文以直径11．5m，容积1000m的玻璃钢立式灵活性大：玻璃钢结构设计集材料设计与结构设计贮罐为例，计算罐壁温度降低，内部介质结冰所引起为一体，可通过改变树脂系统或增强材料来改变材的贮罐各处的应力与应变，旨在验证介质结冰对贮料的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的罐的影

5、响，由此提出在严寒地区使用玻璃钢贮罐是需要。通过结构层厚度、缠绕角和壁厚结构和设计否需要采取保温措施。来调整结构的各方向力学性能，增大承载能力；④热性能好，热导率低，线膨胀系数小，耐烧蚀性好，在有2单层板(组)的热膨胀系数温差时所产生的热应力比金属小得多，是一种优良大型玻璃钢立式贮罐的制造工艺¨。。为现场缠的绝热材料。绕制作筒体，封头和底板采用手糊制作。缠绕时可但玻璃钢与钢材相比，其不足也相当明显，除层采取玻璃纱环向缠绕，配以轴向单向布，交叉缠绕间强度低以外，玻璃钢属脆性材料，拉伸时的断裂应(正负角度

6、螺旋缠绕)少量。封头与底板的制作多变很小，比金属材料小得多，相关设计标准圳规定采取若干层方格布与短切毡交替糊制，一般为3布玻璃钢结构在正常工况下的许用应变为1000×1毡或4布1毡交替。10～。所以，设计时应考虑多种荷载工况作用时的2．1连续纤维单层板的热膨胀系数计算强度和刚度问题。根据复合材料力学的湿热细观分析，可得收稿日期：2013—11_27基金项目：国家自然科学基金(11102142)；中央高校基本科研业务费专项基金(2012．Ia-023)作者简介：李悦(1989-)，男，硕士，主要从事复合

7、材料结构计算。通讯作者：朱四荣(1969一)，女，博士，教授，主要从事复合材料结构设计与理论研究。嘲嘲2014年第7期玻璃钢／复合材料29连续纤维单层板的纵向和横向热膨胀系数计算如下：㈩O／2=(1+，)，+(1+)一(I，r+VmV)1(2)图1加强筋的尺寸(单位／mm)其中，。、分别为单层板的纵向和横向热膨Fig．1Thesizeofthestiffener(Units／mm)胀系数；、E分别为纤维和基体的弹性模量；，、OL分别为纤维和基体的热膨胀系数；、Vm分别为纤维和基体的体积百分数；，、分别

8、为纤维和基体的泊松比。2．2其他单层板的热膨胀系数计算对于玻璃纤维布单层板，可以看成是相互垂直的两层单层板(称为方格布1／2单层)，根据式(1)、式(2)可以求得每层热膨胀系数。对于短切纤维毡单层板，由于纤维取向各不相图2封头有限元模型同，具有各向同性性质，且因为纤维的不连续而导致Fig．2Headfiniteelementmodel的应力集中，其热膨胀系数与连续纤维单层板不相该贮罐结构各铺层厚度如表2所示，各铺层的同。在此，引用文献[13]的研究结果计