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        支柱對(duì)球罐外壓穩(wěn)定性影響的研究

        2018-11-26 09:00:42
        石油化工設(shè)備 2018年6期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)

        (中國(guó)寰球工程有限公司,北京 100012)

        隨著科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,球罐作為一種常見(jiàn)的儲(chǔ)存設(shè)備,被越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。在球罐的設(shè)計(jì)和使用中,球殼常承受外壓作用,當(dāng)外壓載荷增大到某一數(shù)值時(shí),球殼會(huì)突然失去原來(lái)的形狀發(fā)生失穩(wěn)[2]。國(guó)內(nèi)的一些專家和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,蘇文獻(xiàn)等人[3]對(duì)比了中外壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于外壓球殼的計(jì)算方法,吳曉紅等人[4]分析了光殼和帶加強(qiáng)肋的真空球罐的外壓穩(wěn)定性,任金平等人[5]研究了徑向加強(qiáng)筋對(duì)球罐外壓穩(wěn)定性的影響,李斌等人[6]對(duì)僅承受均布外壓的彈性支撐扁球殼進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,蔡奕霖等人[7]研究了均布外壓作用下復(fù)合材料扁球殼的屈曲和后屈曲行為并優(yōu)化了格柵加筋方案。但筆者認(rèn)為這些問(wèn)題的研究并不充分,現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中,計(jì)算球殼臨界失穩(wěn)外壓的理論公式?jīng)]有考慮支柱的影響,大多數(shù)學(xué)者在研究球罐外壓穩(wěn)定性時(shí)也通常忽略了支柱的作用。支柱作為一種結(jié)構(gòu)元件與球殼焊接在一起,同時(shí)還要承受球罐自身重量、介質(zhì)重量、梯子平臺(tái)以及其他附件的重量等載荷,重力導(dǎo)致的支柱反力作用在球殼上,是否會(huì)對(duì)球殼的臨界失穩(wěn)外壓產(chǎn)生影響,帶有支柱的球罐球殼外壓穩(wěn)定性將會(huì)受到何種影響,這些問(wèn)題都有待研究。

        屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù),ANSYS提供了非線性屈曲分析和特征值(線性)屈曲分析兩種方法[8-10]。非線性屈曲分析比線性屈曲分析更精確,但需要消耗大量的時(shí)間和精力,對(duì)軟硬件設(shè)施要求都很高。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,考慮時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)因素,選擇采用特征值屈曲分析方法,并取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù),能夠保證球罐的安全。文中采用特征值屈曲分析方法,研究支柱的存在對(duì)球殼外壓穩(wěn)定性的影響。

        1 球罐整體結(jié)構(gòu)幾何模型

        首先按照GB/T 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》[11]對(duì)本文分析的球罐進(jìn)行了設(shè)計(jì),球罐內(nèi)徑為19 700 mm,名義厚度47 mm,腐蝕裕量1.5 mm,厚度負(fù)偏差0.3 mm,成型減薄量0.5 mm,采用12根?692 mm×16 mm的支柱,支柱高度13 350 mm,拉桿直徑?64 mm。球殼和支柱的材料均為07MnNiMoDR,拉桿材料為Q345D。球罐設(shè)計(jì)外壓0.1 MPa。

        建立的球罐整體結(jié)構(gòu)幾何模型見(jiàn)圖1,支柱結(jié)構(gòu)幾何模型見(jiàn)圖2。

        圖1 球罐整體結(jié)構(gòu)幾何模型

        圖2 球罐支柱幾何模型

        2 球殼臨界失穩(wěn)外壓理論計(jì)算

        按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 150.1~150.4—2011《壓力容器》[12]和JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))[13]中的小撓度彈性穩(wěn)定理論計(jì)算公式計(jì)算球殼的臨界失穩(wěn)外壓。

        (1)

        式中,pcr為臨界失穩(wěn)壓力,E為彈性模量,MPa;μ為泊松比;δe為有效厚度,Ro為外半徑,mm。

        將E=198 500 MPa、μ=0.3、δe=44.7 mm、Ro=9 897 mm帶入式(1)計(jì)算得到pcr=4.9 MPa。

        3 球罐穩(wěn)定性有限元數(shù)值模擬

        3.1 有限元模型建立

        采用有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行有限元分析。球殼和支柱采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元SOLID 185,拉桿采用2節(jié)點(diǎn)三維桿單元LINK 180[14]。

        采用特征值屈曲分析方法對(duì)以下4種工況下球罐的穩(wěn)定性進(jìn)行研究:①無(wú)支柱結(jié)構(gòu)中,球殼的臨界失穩(wěn)外壓。②有支柱結(jié)構(gòu)中,無(wú)外載荷時(shí)球殼的臨界失穩(wěn)外壓。③有支柱結(jié)構(gòu)中,考慮球罐自身質(zhì)量時(shí)球殼的臨界失穩(wěn)外壓。④有支柱結(jié)構(gòu)中,考慮球罐操作重量時(shí)球殼的臨界失穩(wěn)外壓。

        有、無(wú)支柱結(jié)構(gòu)的球罐有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3。

        圖3 有無(wú)支柱結(jié)構(gòu)球罐有限元網(wǎng)格模型

        3.2 載荷與邊界條件

        對(duì)于工況①,為避免發(fā)生剛體位移,在球殼頂部最高點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)上施加全約束。對(duì)其余3種工況,在支柱底板上的全部節(jié)點(diǎn)施加全約束。

        對(duì)于工況③,球罐自身質(zhì)量為500 000 kg,采用等效密度的方式,將重力施加到球殼上。對(duì)于工況④,球罐操作質(zhì)量為2 490 000 kg,采用等效密度的方式,將重力施加到球殼上。

        4 球罐穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析與討論

        采用特征值屈曲分析方法計(jì)算得到的工況①~工況④下球殼的臨界失穩(wěn)外壓分別為6.692 MPa、7.960 MPa、7.964 MPa和7.979 MPa??梢钥闯?,無(wú)論有無(wú)支柱,是否考慮外載荷,所得到的球殼臨界失穩(wěn)外壓均大于按小撓度彈性穩(wěn)定理論計(jì)算公式得到的4.9 MPa計(jì)算值。支柱的存在使球殼的臨界失穩(wěn)外壓提高了大約19%,但質(zhì)量的大小對(duì)球殼的臨界失穩(wěn)外壓幾乎沒(méi)有影響。

        工況①~工況④下球殼外壓失穩(wěn)位移分布分別見(jiàn)圖4~圖7。

        圖4 工況①下球殼外壓失穩(wěn)位移分布

        圖5 工況②下球殼外壓失穩(wěn)位移分布

        圖6 工況③下球殼外壓失穩(wěn)位移分布

        圖7 工況④下球殼外壓失穩(wěn)位移分布

        從圖4~圖7可以看出,球殼在赤道帶附近沿周向發(fā)生均布的失穩(wěn),有支柱結(jié)構(gòu)中,失穩(wěn)的部位位于支柱之間。球罐質(zhì)量不同,球殼的外壓失穩(wěn)位移分布略有差別,但發(fā)生失穩(wěn)的位置相同,球殼的臨界失穩(wěn)外壓數(shù)值也幾乎不變。

        本文分析球罐的設(shè)計(jì)外壓為0.1 MPa,考慮一定的安全系數(shù),按照GB 150.3—2011取安全系數(shù)m=15[15],按JB 4732—1995取m=14.52,該球罐仍有很大的安全裕量。

        從以上計(jì)算結(jié)果可以看出,根據(jù)小撓度彈性理論公式計(jì)算得到的球殼臨界失穩(wěn)外壓比較保守,按照文獻(xiàn)[12-13]設(shè)計(jì)能夠滿足球罐的剛度要求。

        5 結(jié)語(yǔ)

        文中采用特征值屈曲分析方法,研究了支柱的存在對(duì)球殼外壓穩(wěn)定性的影響,認(rèn)為支柱的存在提高了球殼的臨界失穩(wěn)外壓,但重力對(duì)球殼的臨界失穩(wěn)外壓幾乎沒(méi)有影響。按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的球殼臨界失穩(wěn)外壓偏于保守,能夠保證容器的剛度要求。

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