內壓容器
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-19
內壓容器的實例教程
什么是外壓容器的穩定性和臨界壓力？內壓容器是否存在穩定性問題？
承受外壓載荷的殼體，當外壓載荷增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，或出現波紋，載荷卸去后，殼體不能恢復原狀，這種現象稱為外壓殼體的屈曲或失穩。
其實質是壁內壓應力由失穩前單純的壓應力狀態突然躍變為失穩時主要是彎曲應力狀態。
容器失去穩定性時的最小外壓力稱為臨界壓力pr，其值越大，表明容器抗失穩能力越強。
對于薄壁容器，只要壁內存在壓應力，就有先穩的可能。穩定問題不僅僅限于外壓容器，內壓容器有時也有穩定問題。例如受重量載荷和風彎矩作用產生軸向壓應力的直立內壓設備及有局部壓應力產生的內壓封頭，以及內壓臥式容器的鞍座處等，均有穩定性問題存在。
展開 對于以上的理論進行仔細的研究，有利于我們依據這些理論建立起有效基于 ANSYS的壓力容器可靠性分析的模型，并且對于模型中的數據與信息進行驗證和求解。
2 模型的建立
ANSYS 作為一種大型通用的有限元分析軟件需要與現代的網絡計算機技術進行融合性的應用。因此，我們對于基于 ANSYS 的壓力容器可靠性進行分析，就可以采用構建出網絡模型的方式來進行。比如：我們構建出一個帶接管的內壓容器對其進行有效的分析，如圖1。
圖1 帶接管的內壓容器
這個帶接管的內壓容器主要的參數有接管尺寸508mm×10mm,容器尺寸2200mm×18mm,補強圈尺寸 1000mm×18mm,彈性模量 2.1×105MPa，受均布內壓 1.0MPa，容器半徑服從正態分布 5.5mm，其應力值服從 1.83mm，容器壁厚服從正態分布18mm，其應力值服從 0.36mm，接管半徑服從正態分布 254mm，其應力值服從 0.42mm，接管壁厚服從正態分布 10mm，其應力值服從 0.2mm，揚氏彈性模量服從正態分布 young，其應力值服從young×0.02，均布內壓服從正態分布 pressure，其應力值服從 pressure×0.05。因此，我們根據模型對稱的結構，建立具有四分之一的有限元實體模型的壓力容器，在模型的斷面處對于對稱邊界進行約束，對于其連續對稱性結構進行模擬。將壓力載荷施加在容器的內表面，對其實體模型進行網絡化的劃分。因此，我們通過對于帶接管的內壓容器在正態分布情況下的分布進行分析，就可以通過對此模型的應用及可靠性的公式進行該壓力容器可靠性系數的求解，最終建立起壓力容器強度值與應力值的概率密度函數，通過有關的運算，對于隨機的變量進行全面的分析與求證。
展開 哈爾濱玻璃鋼研究院于1964年提出螺旋纖維纏繞基本規律（即切點法），并給出了這一規律的數學表達式，即纏繞速比計算；在國內首次提出封頭曲面上的纖維軌跡位于一個平面內，順利解決了封頭曲面纖維纏繞中心角的計算問題，為纏繞機的設計和工藝設計提供了理論依據，依據這個規律，哈玻院設計制造了機械式纏繞機，如圖1所示。利用這些設備,研制出若干類型壓力容器,實現了我國纖維纏繞工藝的機械化。同時，在纏繞制品的結構設計、原材料選擇及防滲內襯等工藝技術關鍵問題方面都取得了突破性進展。北京玻鋼院復合材料有限公司1964年實現了標準線（當時稱“北極星纏繞”）纏繞（即標準線法），歸納總結出纏繞規律的通用公式，建立了測地線纏繞規律運動方程，描述了一個線型中各量之間的關系。
到1965年，我國已完全掌握了螺旋纏繞的基本規律，實現了全機械化螺旋纏繞。中國纖維纏繞技術于20世紀60年代初正式誕生。
圖1 哈玻院研制的纏繞機
3. 纖維纏繞技術的發展
在20世紀70年代至90年代末的20多年間，我國對纖維纏繞技術進行了全面研究。完成了纖維纏繞基本規律、異型纏繞規律的探索、完善了機械式纖維纏繞設備的開發，對纖維纏繞制品的設計、制造工藝、結構計算和性能測試進行研究。這一時期，全面發展的纖維纏繞技術主要表現在理論的進一步探索和完善以及裝備的研發上。
3.1 纖維纏繞技術的理論探索和完善
北京玻鋼院復合材料有限公司于1975年推導出了纖維纏繞內壓容器中的設計計算公式以及計算出容器封頭纏繞包角公式。1987年，編制成功纏繞機運動方程組計算機程序，使氣瓶及其他回轉制品纏繞規律的運動設計和實施趨于完善、科學，為機械式纏繞機的運動設計、計算機控制纏繞機的軟件設計提供了依據。
1965年我國完全掌握了纏繞規律和纏繞速比計算方法，實現了螺旋纏繞排線機械化。
展開 哈爾濱玻璃鋼研究院于1964年提出螺旋纖維纏繞基本規律（即切點法），并給出了這一規律的數學表達式，即纏繞速比計算；在國內首次提出封頭曲面上的纖維軌跡位于一個平面內，順利解決了封頭曲面纖維纏繞中心角的計算問題，為纏繞機的設計和工藝設計提供了理論依據，依據這個規律，哈玻院設計制造了機械式纏繞機，如圖1所示。利用這些設備,研制出若干類型壓力容器,實現了我國纖維纏繞工藝的機械化。同時，在纏繞制品的結構設計、原材料選擇及防滲內襯等工藝技術關鍵問題方面都取得了突破性進展。北京玻鋼院復合材料有限公司1964年實現了標準線（當時稱“北極星纏繞”）纏繞（即標準線法），歸納總結出纏繞規律的通用公式，建立了測地線纏繞規律運動方程，描述了一個線型中各量之間的關系。
到1965年，我國已完全掌握了螺旋纏繞的基本規律，實現了全機械化螺旋纏繞。中國纖維纏繞技術于20世紀60年代初正式誕生。
圖1 哈玻院研制的纏繞機
3. 纖維纏繞技術的發展
在20世紀70年代至90年代末的20多年間，我國對纖維纏繞技術進行了全面研究。完成了纖維纏繞基本規律、異型纏繞規律的探索、完善了機械式纖維纏繞設備的開發，對纖維纏繞制品的設計、制造工藝、結構計算和性能測試進行研究。這一時期，全面發展的纖維纏繞技術主要表現在理論的進一步探索和完善以及裝備的研發上。
3.1 纖維纏繞技術的理論探索和完善
北京玻鋼院復合材料有限公司于1975年推導出了纖維纏繞內壓容器中的設計計算公式以及計算出容器封頭纏繞包角公式。1987年，編制成功纏繞機運動方程組計算機程序，使氣瓶及其他回轉制品纏繞規律的運動設計和實施趨于完善、科學，為機械式纏繞機的運動設計、計算機控制纏繞機的軟件設計提供了依據。
1965年我國完全掌握了纏繞規律和纏繞速比計算方法，實現了螺旋纏繞排線機械化。
展開 該工況下LPG覆土罐屬于承受外壓的容器，需要同時考慮罐體結構強度和外壓穩定性兩方面的問題。與此同時，出于安全考慮，該工況還應將罐體內部介質卸料過程中所產生的負壓N4納入加載條件進行計算。
各工況下的載荷方式如下表1所示：
失效模式的考慮
（1）LPG覆土罐在設計工況、耐壓試驗工況、地震工況下均承載內壓載荷，且內部壓力載荷大于外部壓力載荷，屬于內壓容器。因此，設計工況、耐壓試驗工況和地震工況下只用對罐體進行強度計算，對罐體結構進行防止塑性垮塌失效評定。
（2）覆土工況下，由于罐體內部不承受介質作用的正壓力，僅承受覆土載荷和罐體不均勻支撐載荷，屬于外壓容器。因此，該工況下需要同時考慮罐體結構的強度和外壓穩定性，同時對罐體結構進行防止塑性垮塌失效評定和屈曲失效評定。
工程設計案例
基于文中的設計方法，以某工程中2000m3的LPG覆土罐的設計參數為例，對罐體結構進行設計。
（1）設計參數，如下表2所示：
（2）載荷分析，如下表3所示：
（3）有限元模型和邊界條件的施加：
在ANSYS Workbench中，分別對LPG覆土罐進行設計工況、耐壓試驗工況、地震工況以及覆土工況的有限元分析計算，并對罐體的應力集中部位進行線性化操作處理，判斷計算結果是否滿足設計要求。建立1/2對稱全模型，設定材料參數，采用20節點的Solid 186單元劃分網格，網格數總計197820，節點數總計1011886，厚度方向劃分3層，分別考慮了“middle hard”或“middle soft”兩種形式的沙床基礎的計算。
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內壓容器的最新內容
在此之前，我們在課堂上學習過支架的線性靜力分析、壓力容器內壓靜力分析、含切口板材單軸拉伸模擬、罐與接管的熱分析、基體上薄膜脫粘分析等，結合這些基礎，通過設定材料屬性，使用ALE自適應網格控制，調用Umeshmotion子程序，來模擬高溫下冰塊的熱傳遞和融化過程。ABAQUS的Umeshmotion利用自適應網格技術在計算過程中自動調整節點位置，由此可進行燒蝕、磨損等涉及節點移動的模型仿真。
各工況下的載荷方式如下表1所示：
失效模式的考慮
（1）LPG覆土罐在設計工況、耐壓試驗工況、地震工況下均承載內壓載荷，且內部壓力載荷大于外部壓力載荷，屬于內壓容器。因此，設計工況、耐壓試驗工況和地震工況下只用對罐體進行強度計算，對罐體結構進行防止塑性垮塌失效評定。
9重錘式測量儀表
（1）對于料位高度大，變化范圍寬的大型料倉、散裝倉庫以及敞開或密閉無壓容器內的塊狀、顆粒狀和附著性不大的粉粒狀物料的料面定時連續測量，應選用重錘式測量儀表。
（2）重錘的形式應根據物料的粒度、干濕度等因素選取。
穩定問題不僅僅限于外壓容器，內壓容器有時也有穩定問題。例如受重量載荷和風彎矩作用產生軸向壓應力的直立內壓設備及有局部壓應力產生的內壓封頭，以及內壓臥式容器的鞍座處等，均有穩定性問題存在。
對于無壓容器內的液面連續測量，可選用靜壓式儀表。
（2）在正常工況下，液體密度有明顯變化時，不宜選用靜壓式儀表。
7聲波式測量儀表
（1）對于普通物位儀表難以測量的腐蝕性液體、高粘性液體、有毒性液體等液面的連續測量和位式測量，宜選用聲波式測量儀表。
各工況下的載荷方式如下表1所示：
失效模式的考慮
（1）LPG覆土罐在設計工況、耐壓試驗工況、地震工況下均承載內壓載荷，且內部壓力載荷大于外部壓力載荷，屬于內壓容器。
一般情況下，可采用以下幾種方式進行檢測：
1、沉水試驗
用于受較小內壓的小型容器或管道。檢驗前先對容器或管道充以一定壓力(0.4-0.5MPa)的壓縮空氣，然后沉水以檢驗密封性，如右泄漏；水中必有氣泡發生。
3.1 纖維纏繞技術的理論探索和完善
北京玻鋼院復合材料有限公司于1975年推導出了纖維纏繞內壓容器中的設計計算公式以及計算出容器封頭纏繞包角公式。1987年，編制成功纏繞機運動方程組計算機程序，使氣瓶及其他回轉制品纏繞規律的運動設計和實施趨于完善、科學，為機械式纏繞機的運動設計、計算機控制纏繞機的軟件設計提供了依據。
3.1 纖維纏繞技術的理論探索和完善
北京玻鋼院復合材料有限公司于1975年推導出了纖維纏繞內壓容器中的設計計算公式以及計算出容器封頭纏繞包角公式。1987年，編制成功纏繞機運動方程組計算機程序，使氣瓶及其他回轉制品纏繞規律的運動設計和實施趨于完善、科學，為機械式纏繞機的運動設計、計算機控制纏繞機的軟件設計提供了依據。
比如：我們構建出一個帶接管的內壓容器對其進行有效的分析，如圖1。
