低温环境中介质结冰时玻璃钢贮罐的应力分析.pdf

　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：１００３０９９９（２０１４）０７００２８０６　　　ｌ前言　　　　　　２０世纪８０年代末，玻璃钢贮罐在石油、化工、　　冶金、食品、酿造、电力等领域获得广泛应用。随着　　　　　材料性能与制造工艺的提高，大型玻璃钢贮罐已陆　　　续使用。如目前国内最大玻璃钢贮罐为直径２１ｍ，　　　　　　容积６０００ｍ；直径２４ｍ，容积５０００ｍ的玻璃钢贮罐　已在胜利油田缠绕制作完成。　　玻璃钢材料与结构具有优良的物理性能［１］：①②　玻璃钢轻质高强，比强度比钢、铸铁和塑料高；　耐化学腐蚀性强，使用寿命长，在储存腐蚀性介质　　时，玻璃钢显示出其他材料所无法比拟的优越性，可　　　　　③　以耐酸、稀碱、盐和有机溶剂、海水，并耐湿；设计　　灵活性大：玻璃钢结构设计集材料设计与结构设计　为一体，可通过改变树脂系统或增强材料来改变材　　　料的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的　　需要。通过结构层厚度、缠绕角和壁厚结构和设计④　来调整结构的各方向力学性能，增大承载能力；热　性能好，热导率低，线膨胀系数小，耐烧蚀性好，在有　　　　温差时所产生的热应力比金属小得多，是一种优良　　　的绝热材料。　　　　但玻璃钢与钢材相比，其不足也相当明显，除层　　　　间强度低以外，玻璃钢属脆性材料，拉伸时的断裂应　　变很小，比金属材料小得多，相关设计标准圳规定　　　　　　　　　玻璃钢结构在正常工况下的许用应变为１０００×　　　１０～。所以，设计时应考虑多种荷载工况作用时的　强度和刚度问题。　　　收稿日期：　　基金项目：　　作者简介：　　通讯作者：　　　随着玻璃钢大型贮罐的使用日益广泛，其分布　　　　区域也日益扩大，如严寒国家或地区。玻璃钢贮罐　　内的介质水会随着温度的降低而凝结成冰，水在结　　冰的过程中会伴随着体积的膨胀。如果膨胀变形受　　到外界的约束，在冰层内就会产生热应力］，从而对　其约束也就是玻璃钢贮罐产生温度膨胀力。由此而　导致的贮罐罐壁和罐底的应力与应变也是不可忽视　　的，在某些情形下，温度膨胀力对其约束甚至产生很　　　　大的安全威胁，虽然在一定的低温范围，玻璃钢材料　　的力学性能与常温相比并无明显改变。所以必须考　虑温度膨胀力对玻璃钢贮罐的影响。　　　　　本文以直径１１．５ｍ，容积１０００ｍ的玻璃钢立式　贮罐为例，计算罐壁温度降低，内部介质结冰所引起　　　　的贮罐各处的应力与应变，旨在验证介质结冰对贮　　　　罐的影响，由此提出在严寒地区使用玻璃钢贮罐是　　否需要采取保温措施。　　　２单层板（组）的热膨胀系数　　大型玻璃钢立式贮罐的制造工艺¨　。。为现场缠　　　绕制作筒体，封头和底板采用手糊制作。缠绕时可　　　　　　　采取玻璃纱环向缠绕，配以轴向单向布，交叉缠绕　　　　　（正负角度螺旋缠绕）少量。封头与底板的制作多　　　　采取若干层方格布与短切毡交替糊制，一般为３布　　　１毡或４布１毡交替。　　　　２．１连续纤维单层板的热膨胀系数计算　根据复合材料力学　　的湿热细观分析，可得—　２０１３１１＿２７　　　　　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）　　　　　　李悦（１９８９－），男，硕士，主要从事复合材料结构计算。　　　　　　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：　　㈩　　　　　　　　　　　　　　Ｏ／２＝（１＋，），＋（１＋）一（Ｉ，ｒ＋ＶｍＶ）１　（２）　　　　　　　　　　　其中，。、分别为单层板的纵向和横向热膨　　　　　　　　　　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　　　　同，具有各向同性性质，且因为纤维的不连续而导致　　　　　的应力集中，其热膨胀系数与连续纤维单层板不相　　　同。在此，引用文献［１３］的研究结果计算：：÷　　（１　Ｖ）ｒｖ＝一一　　　　（１一，一Ｊ“　　　　２Ｅ～…　　１　１　ｊ＋÷　　　—　　　（１＋）ＯＬＶｍ＋｝（１＋ｒ）ｒ　　２．３各单层的热膨胀相关参数　　　根据玻璃钢贮罐的成型工艺与树脂含量，贮罐　　各部分组分的相关参数如表１所示。　　　　表１贮罐各部分组分的热膨胀参数　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆ　　　ｉｃｉｅｎｔｏｆ　　　　　ｔａｎｋｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｅａｃｈｐａｒｔ　　３玻璃钢贮罐的几何与材料参数　　　　　　　　　　　　　　容积１０００ｍ立式锥形顶托盘底贮罐，内径　　　１１．５ｍ，筒体高度１１ｍ，锥顶壳与简体过渡区倒角半　　径为０．１ｍ，锥顶与筒体夹角为１５。。封头设置环向　　　　　与径向加强筋，其尺寸如图１所示，数量与布置如图　　２所示。　　　图１加强筋的尺寸（单位／ｍｍ）　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｓｔｉｆｆｅｎｅｒ（Ｕｎｉｔｓ／ｍｍ）　　　图２封头有限元模型　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｈｅａｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ　　　　该贮罐结构各铺层厚度如表２所示，各铺层的　　力学性能参数如表３所示。　　　　　表２贮罐各部位各铺层厚度　　　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｅａｃｈｐａｒｔｏｆｔｈｅｔａｎｋ　　Ｅ／ＧＰａ　Ｅｙ／ＧＰａ　Ｇ￣ｙ／ＧＰａ　０譬　　　ｌ鞲　３２　低温环境中介质结冰时玻璃钢贮罐的应力分析　２０１４年７月　　　（Ｃ）轴向应力　　（Ｃ）Ａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓ　　　图７低温结冰时贮罐各向应力云图　　　　　　　Ｆｉｇ．７Ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｔｏｕｒｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　　　ｕｎｄｅｒＣｒｙｏｇｅｎｉｃｆｒｅｅｚｉｎｇ　　　除了计算贮罐处于上述两种特殊情况之外，本　　　文还计算分析了贮罐处于环境温度为一２０￣Ｃ，贮罐　—　　　内不同冰块厚度（０１０ｍ）情形下，贮罐的各向应变　应力。图８所示即为不同冰厚时贮罐各向最大应变　　　　　　和最大应力曲线图。图８中显示，在一定的环境温　　　度下，不同冰厚时贮罐最大应力应变相差不大，这是　　　因为贮罐为不等厚设计，最大应力应变并非出现在　冰的下表面，这也说明此时，贮罐应力应变对冰厚相　对不敏感。　童　量　０　２　４　６　８　１０　１２　　Ｉｃｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ／ｍ　（ａ）应变　（ａ）Ｓｔｒａｉｎ　０　２　４　６　８　ｌ０　ｌ２　　Ｉｃｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ／ｍ　（ｂ）应力　（ｂ）Ｓｔｒｅｓｓ　　　图８不同冰厚时贮罐的各向最大应变和应力　　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．８Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒａｉｎａｎｄｓｔｒｅｓｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｉｃｋｉｃｅ　　　５结论　　　（１）尽管玻璃钢材料耐低温，但由于环境温度　降低导致玻璃钢贮罐收缩及内部介质结冰，引起贮　　罐结构的附加应力；　　　　（２）由于贮罐设计为变厚度设计，导致不同冰　　厚时贮罐最大应力与应变相差不大，且最大应力应　　　　　变出现在筒体与底板交界处，环境温度降低引起的　　贮罐的应力应变远大于介质结冰引起的应力应变；　　　（３）对低温环境下使用的贮罐设计时，建议验　　　算低温、介质结冰工况下贮罐的应力应变，必要时利　用改变罐底的螺栓固定方式减小温度应力。　参考文献　　　　　　　　［１］李卓球，岳红军．玻璃钢管道与容器［Ｍ］．北京：科学出版社，　１９９ｏ．ｏ９．　［２］邱波峡，王大可．玻璃钢／复合材料的若干点体会［Ｊ］．玻璃钢／　　复合材料，２０１２，（３）：２８７－２９０．　［３］陈建中．复合材料缠绕制品发展情况报告［Ｊ］．玻璃钢／复合材　　料，２０１２，（３）：９４－９６．　　　　［４］刘晓蓓，王晓洁．耐高温环氧树脂的研究进展［Ｊ］．玻璃钢／复合　　材料，２０１３，（３）：１１８－１２０．　　　　　　［５］ＡｍｅｒｉｃａｎＷａｔｅｒＷｏｒｋｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＡＷＷＡＭ４５．ＦｉｂｅｒｇｌａｓｓＰｉｐｅ　　ｄｅｓｉｇｎ（ＳｅｃｏｎｄＥｄｉｔｉｏｎ）［Ｓ］．２００５．　　　　　—　［６］ＡｍｅｒｉｃａｎＷａｔｅｒＷｏｒｋｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＡＷＷＡＣ９５０．ＦｉｂｅｒｇｌａｓｓＰｒｅｓ　　ｓｕｒｅＰｉｐｅ［Ｓ］．２００７．［７］Ａｍｅｒ　　　　　　　　ｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＡＳＴＭＤ２９９２Ｓｔａｎｄａｒｄ　　　　　　　　　　ＰｒａｃｔｉｃｅｆｏｒＯｂｔａｉｎｉｎｇＨｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｏｒＰｒｅｓｓｕｒｅＤｅｓｉｇｎＢａｓｉｓｆｏｒＦｉｂｅｒ－　　　　ｇｌａｓｓＰｉｐｅａｎｄＦｉｔｔｉｎｇｓ［Ｓ］．２００６．　　　　　［８］ＡｍｅｒｉｃａｎＷａｔｅｒＷｏｒｋｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＡＮＳＵＡＷＷＡＣ９５０－０１．Ｆｉｂｅｒ－　　　ｇｌａｓｓｐｒｅｓｓｕｒｅＰｉｐｅ［Ｓ］．２００２．　　　　　　［９］刘波．冰层热应力非线性有限元分析［Ｄ］．天津：天津大学建筑　　工程学院，２００５：１－３．　　　　　　［１Ｏ］徐竹．玻璃钢贮罐的成型工艺研究与制造［Ｊ］．教育与教学论　—　坛，２０１３，（３）：１９８１９９．　　　　［１１］王耀先．复合材料力学与结构设计［Ｍ］．上海：华东理工大学　　出版社，２０１２．０９．　［１２］［美］Ｒ・Ｍ・琼斯．复合材料力学［Ｍ］．上海：上海科学技术出　　版社，１９８１．０６．　　　　　　　　［１３］王玉庆，张名大，周本濂，师昌绪．复合材料热膨胀的一个理论　　　模型［Ｊ］．材料科学进展，１９９８，３（５）：４＿４２４４６．　［１４］师访．ＡＮＳＹＳ二次开发及应用实例详解［Ｍ］．中国水利水电出　　版社，２０１２．０２．　［１５］龚曙光，谢桂兰，黄云清．ＡＮＳＹＳ参数化编程与命令手册［Ｍ］．　　　北京：机械工业出版社，２０１３．Ｏ１．　　（下转第９页）　瑚瑚ｍ㈣咖跏瑚枷姗伽湖　　　　　　　　　　８６４２０８６４２０　６　真空辅助成型用不饱和树脂的粘度模型和流变特性分析　２０１４年７月　高，粘度降低的速率逐渐减弱。　　　　　　图Ｉ不加固化剂时ＤＳ３２６ＰＴ－１树脂体系在　动态升温条件下的粘度变化　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１ＴｈｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＤＳ３２６ＰＴ一１ｒｅｓｉｎｓｙｓｔｅｍ　　　　　　ｗｉｔｈｏｕｔｃｕｒｉｎｇａｇｅｎｔｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　　　　　当加入１％的固化剂时，该树脂体系粘度随温　度变化情况如图２所示。图中树脂体系的粘度变化　可以分为三个阶段：第一阶段，树脂粘度随着温度的　升高明显降低，下降趋势基本呈指数形式；第二阶　　℃　　　段，当温度升至２５左右时，粘度达到最低，在２５～℃　　　４５的范围内，粘度的变化很小；第三阶段，当温度℃　高于５０时，树脂体系的粘度急剧上升，达到凝胶。　　　　　　　　　　　　　　　　５ｌ０ｌ５２Ｏ２５３Ｏ３５４０４５５０５５６０６５７０７５８０　Ｔｉｍｃｌｓ　　　　图２固化剂含量为１％时树脂体系动态　升温条件下的粘度变化　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｉｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ１％　　　　　ｃｕｒｉｎｇａｇｅｎｔｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　这是因为，温度的上升对树脂的粘度有两方面　　的影响：一方面温度升高使分子的运动活性增大，粘　度下降；另一方面温度升高促进树脂体系的固化反　　　　　应，固化反应形成的分子交联网络又反过来限制了　分子的运动而使粘度上升。在升温过程中，当前者　的影响大于后者的影响时，树脂体系的表观粘度呈　　　　下降趋势；当这两种影响力相互平衡时，粘度到达最　　　低点；温度继续升高，固化交联对树脂体系粘度的影　　　　响起主导作用，从而使粘度迅速上升而固化Ｊ。　　　２．２恒温下粘度随时间变化分析　　由于ＤＳ３２６ＰＴ一１树脂属于常温固化树脂，结合　　　—℃　　图１和图２可知，当温度为１８４０时，树脂粘度在　　　　５００ｍＰａ・ｓ以下，粘度较低，故选择１８ｏＣ、２５￣Ｃ、３２ｏＣ　　　和４０￣Ｃ四个温度点为恒温点，测试树脂体系的等温　　　粘度曲线。其测试结果如图３所示。　　　图３树脂体系在等温条件下的粘度变化　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｉｎｓｙｓｔｅｍ　　　ｕｎｄｅｒｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　　由图３可以看出，在恒温条件下，树脂体系的粘　　　度开始一段时间内几乎不变化，随着时间的延长，树　　　　脂的粘度先是缓慢增加，而后急速增加。树脂的这　　‘　　段粘度变化很小的时间，称为低粘度平台时间１。　这段时间对制作复合材料时操作温度的选取非常有　　　　意义。图３显示，温度越高，树脂体系的低粘度平台　　　　时间越短。因此，在实际生产中，可以通过控制操作　　温度，来调节树脂体系的低粘度平台时间。　　３树脂体系等温粘度模型的建立　　　３．１粘度模型的选择　目前研究树脂体系粘度变化规律的理论模型有　　　　　许多，如经验模型＿ｌ、概率模型、凝胶模型＿ｌ以及　　　　自由体积模型引。其中对于ＶＡＲＩ工艺的模拟与优　　　　　　　　化具有重要意义的模型为经验模型，包括ＷＬＦ方程¨　、工程粘度方程、双阿累尼乌斯方程¨　　—　和Ｆｏｎ　　　　ｔａｎａ方程。由于在进行数据分析时发现，该树脂　在等温条件下，其粘度．时间变化规律与工程流变模　型最为吻合，故选择工程粘度模型进行建模。工程　　　　流变模型的基本原理就是假设树脂体系固化过　程中粘度变化是体系物理作用和化学作用相互耦合　　的结果并建立粘度变化的经验方程：　　叼：叩ｏ＋Ａｅｘｐ（Ｂｔ）　（１）　　　　　　式中，为树脂体系ｔ时刻的粘度；叼。为树脂体