王永超，楊 澤，孫彩華

(青海民族大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，青海 西寧 810000)

柔性儲(chǔ)液容器具有安裝、運(yùn)輸便捷、性價(jià)比較高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于分配液體與液化氣體、儲(chǔ)運(yùn)等領(lǐng)域，但柔性儲(chǔ)液容器由于易于變形及穩(wěn)態(tài)性差的問(wèn)題，容易引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)及穩(wěn)定性問(wèn)題[1]。Yasir Zulfiqar等[2]采用FSI的方法,對(duì)圓柱形儲(chǔ)液罐晃動(dòng)過(guò)程中頂板形狀的變化進(jìn)行了結(jié)構(gòu)評(píng)估，并提出估算儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和總變形的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。聶君鋒等[3]采用耦合歐拉-拉格朗日的方法模擬了液體在儲(chǔ)液容器跌落過(guò)程中的慣性效應(yīng)以及液體對(duì)容器所產(chǎn)生的側(cè)向壓力，并評(píng)估了容器的安全性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。劉煥忠等[4]利用附加質(zhì)量法對(duì)儲(chǔ)液容器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)儲(chǔ)液容器提出了詳細(xì)的狀態(tài)變量曲線，為儲(chǔ)液容器的設(shè)計(jì)提供了重要的參考數(shù)據(jù)。Krishnamoorthy Agrahara[5]提出了在不連續(xù)處考慮流體與結(jié)構(gòu)相互作用的有限元方法(FEM)，對(duì)摩擦擺系統(tǒng)(FPS)隔離的液罐進(jìn)行模擬，分析表明考慮流固耦合的FEM對(duì)FPS隔離式儲(chǔ)液罐的分析可能更為合適。邢金瑞等[6]分別采用了Housner和Veletsos簡(jiǎn)化方法分析剛性和柔性2種儲(chǔ)液罐的抗震問(wèn)題，并介紹了2種儲(chǔ)液罐液動(dòng)壓力的簡(jiǎn)化計(jì)算式。Wei Jing等[7]驗(yàn)證了隔震可以作為儲(chǔ)液容器的有效減震措施。Wei Guomeng等[8]利用晃動(dòng)的幅值和頻率的不同，研究了充液過(guò)程中不同晃動(dòng)條件的影響,觀察到當(dāng)晃蕩超過(guò)臨界值時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)壓曲線明顯增大。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在容器的動(dòng)力特性方面，而對(duì)不同材料容器在結(jié)構(gòu)受壓方面的研究較少。鈦合金、不銹鋼、滾塑鋼襯塑3種材料擁有較強(qiáng)的耐腐蝕性、抗沖擊性以及良好的密封性等特性，但是承壓能力各不相同。本文選取以上3種材料對(duì)儲(chǔ)液容器在承受不同壓力作用時(shí)總應(yīng)力與總變形的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，為儲(chǔ)液容器的設(shè)計(jì)及其制造提供工程參考。

1 儲(chǔ)液容器結(jié)構(gòu)與建模

儲(chǔ)液容器的應(yīng)用與材料選型范圍非常廣泛。目前我國(guó)使用范圍最廣的結(jié)構(gòu)形式為拱頂、浮頂和臥式。本文以臥式結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行研究分析，儲(chǔ)液容器主要由圓柱形筒體、橢圓形封頭、支座、法蘭及一些安全附件構(gòu)成，如圖1所示。圓柱形筒體是提供工藝所需的承壓空間；支座主要起支撐容器的整體重量以及固定作用；法蘭在容器和管道連接的過(guò)程中能確保在有氣體或液體以及其他物質(zhì)在進(jìn)入容器時(shí)不會(huì)發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，對(duì)容器起到密封的作用；安全附件用于保證容器的安全使用，防止并及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。

圖1 儲(chǔ)液容器結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)液容器的建模采用實(shí)體三8節(jié)點(diǎn)185號(hào)單元，邊長(zhǎng)為0.04 mm的六面體對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，劃分后的容器模型共有48 285個(gè)單元，70 890個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中儲(chǔ)液容器的圓柱形筒體兩端與半橢圓形封頭形成一體化，如圖2所示。在此次建模中不考慮壓力表、安全閥等安全附件的影響。

圖2 儲(chǔ)液容器的有限元模型

材料在工業(yè)容器設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，本文采用的3種不同材料分別為鈦合金材料、滾塑鋼襯塑材料、不銹鋼材料。對(duì)3種材料的儲(chǔ)液容器進(jìn)行變形及應(yīng)力研究分析。此類材料還具有良好的耐腐蝕性。所選材料的性能如表1所示。

表1 研究中使用的材料性質(zhì)

2 應(yīng)力與變形分析

本文以不銹鋼材料為例進(jìn)行建模分析，鈦合金和滾塑鋼襯塑材料的分析方法和變化規(guī)律均與不銹鋼一致，在此不逐一進(jìn)行建模分析。

建模時(shí)在儲(chǔ)液容器內(nèi)部施加的壓力載荷為600 MPa。在2個(gè)封頭的焊接處分別施加了水平位移約束，并進(jìn)行計(jì)算。

圖3～4分別顯示了儲(chǔ)液容器在不同壓力作用下的總變形和應(yīng)力分布，可以看出：最大應(yīng)力分布于筒體與封頭的焊接處，最大值是602.723 MPa；支座和圓柱形筒體的焊接處應(yīng)力最大，應(yīng)力值是517.207 MPa，筒體圓周上的應(yīng)力較小為260.66 MPa；越靠近焊接處，應(yīng)力集中效應(yīng)越明顯。這是因?yàn)閮?chǔ)液容器的構(gòu)件在外形尺寸、幾何形狀發(fā)生變化時(shí)引起局部?jī)?nèi)應(yīng)力的顯著增大從而造成應(yīng)力集中。因此在工程焊接過(guò)程中避免由于焊接時(shí)生產(chǎn)裂紋、夾渣等現(xiàn)象的出現(xiàn)造成更大的應(yīng)力集中。與此同時(shí)，在應(yīng)力集中的部位可做局部加厚或者提高材料表面光潔度使應(yīng)力集中系數(shù)下降。

圖3 壓力作用下的應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖4可以看出：容器的最大變形發(fā)生在圓柱形筒體的中間部分并且逐漸向兩邊緣減小，最大變形量為0.325×10-8mm，最小變形量為0.464×10-9mm。最大變形量發(fā)生在圓柱形筒體中間部分的原因是因?yàn)椴牧显谶\(yùn)輸和卸裝過(guò)程中會(huì)受到各種外力的作用，從而影響材料成型的精確度，使制造的儲(chǔ)液容器容易發(fā)生變形和彎曲等現(xiàn)象。所以在運(yùn)輸及卸裝過(guò)程中避免受外力的擠壓，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中對(duì)組裝焊接、環(huán)境溫度等因素高度重視，消除儲(chǔ)液容器的應(yīng)力減小變形。

圖4 壓力作用下的總變形(單位：mm)

儲(chǔ)液容器所受的壓力值分別為2、4、6、8 MPa。對(duì)于不同壓力值，3種所選材料的變形、應(yīng)力的輸出參數(shù)分別繪制于圖5～6中，圖6反應(yīng)了材料的安全系數(shù)。

圖5 不同材料不同壓力下變形比較

圖6 不同材料不同壓力下應(yīng)力比較

由圖5可以看出：變形量隨著壓力值的增加逐漸增大；當(dāng)壓力值每增加2 MPa時(shí)，鈦合金、不銹鋼、滾塑鋼襯塑材料的變形量分別以1.25、0.64、0.62 mm的趨勢(shì)進(jìn)行增加；鈦合金的變形量比其余2種材料的變形量大，鈦合金變形是因?yàn)殁伒拿芏葍H為鋼密度的60%，鈦的彈性模量也比較低，這使得金屬易于彎曲和變形。

由圖6可以看出：應(yīng)力隨著壓力的增加呈上升趨勢(shì)；隨著壓力值的增加鈦合金、不銹鋼、滾塑鋼襯塑材料的應(yīng)力值分別以113.16、110.24、121.36 MPa為間距進(jìn)行增加。這是因?yàn)槿萜魇艿酵獠繅毫Φ挠绊?，使容器的各個(gè)部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，為抵抗這些內(nèi)力的作用，應(yīng)力會(huì)隨著壓力作用的增加而逐漸變大。對(duì)于壓力值比較高時(shí)，鈦合金產(chǎn)生的應(yīng)力比另外2種材料高而更有效地使容器在發(fā)生變形之后能夠恢復(fù)到原來(lái)的位置。

根據(jù)有限元分析得出的應(yīng)力值與材料的極限應(yīng)力之比計(jì)算了容器設(shè)計(jì)的安全系數(shù)(FOS)，并將得出的結(jié)果以折線圖的形式繪制，見(jiàn)圖7。

圖7 不同材料安全系數(shù)變化曲線

由圖7可以看出：當(dāng)壓力值逐漸增大時(shí)，安全系數(shù)呈下降趨勢(shì)；不同材料的安全系數(shù)緊隨著壓力值的降低而逐漸升高，其中鈦合金的安全系數(shù)最高為2.34。對(duì)于所研究的材料，安全系數(shù)的提高可以借助較低的壓力值來(lái)完成。

3 結(jié)論

1)不同材料儲(chǔ)液容器的變形量隨著壓力值的增加而逐漸呈上升趨勢(shì)。在壓力值為8 MPa時(shí)，鈦合金、不銹鋼、滾塑鋼襯塑材料的變形量分別為8.78、6.48、4.73 mm。鈦合金的變形量較大體現(xiàn)出了鈦具有良好延展性的特點(diǎn)。

2)不同材料儲(chǔ)液容器的應(yīng)力隨著壓力值的增大呈線性增長(zhǎng)。鈦合金和不銹鋼的應(yīng)力在隨著壓力值增大時(shí)變化較大。當(dāng)壓力值增大到8 MPa時(shí)，鈦合金和不銹鋼的應(yīng)力分別為737.71、706.28 MPa；而滾塑鋼襯塑材料的應(yīng)力相比鈦合金及不銹鋼較小，為509.08 MPa。鈦合金相比于其余2種材料的應(yīng)力較高。

3)安全系數(shù)隨著壓力值的增加而逐漸降低，鈦合金的安全系數(shù)最高為2.34。在不銹鋼與滾塑鋼襯塑材料中，誘導(dǎo)應(yīng)力高于其抗拉強(qiáng)度，所產(chǎn)生的安全系數(shù)小于1。