真空压力容器外筒体失稳分析报告

BD4706低温液体槽车外筒体的失稳分析计算报告张家港中集圣达因低温装备有限公司2014年2月1目录一、计算目的.............................................................................................2二、设计及计算依据.................................................................................2三、计算条件.............................................................................................2四、有限元计算分析软件的选取.............................................................3五、低温液体运输车外罐的有限元分析计算........................................35.1计算模型的建立..............................................................................35.2计算载荷的处理............................................................................65.3边界条件........................................................................................65.4应力计算结果..................................................................................75.5特征值屈曲分析下外筒体的失稳模态.........................................75.6失稳临界压力结果..........................................................................8六、结论.................................................................................................102一、计算目的我公司设计的BD4706型低温液体运输车，其基本结构为具有内、外圆筒的双层结构，内容器贮存低温液体，内容器与外壳之间的夹层填充绝热材料且抽真空；内容器与外壳之间通过八组环氧玻璃钢支承。外壳通过垫板及前牵引支座、后支架钢梁与车辆连接以方便运输。为了降低罐体重量，增加最大充装量，提高车子运行时的经济性，对低温液体运输车的外筒体角钢加强圈进行了新的布置。本计算报告对该型低温液体槽车外罐的外压稳定性计算分析与比较，为该产品的安全及其进一步改进和优化等提供了结构有限元分析基础。二、设计及计算依据1）．GB150–2011《压力容器》2）．JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》2005确认版3）．BD4706低温液体槽车设计图纸及技术条件三、计算条件低温液体运输车外容器的主要设计条件见下表，其他条件见设计图纸及技术资料。其外容器的三维示意简图见图5-1设计参数外壳设计压力MPa-0.1工作压力MPa＞-0.1计算压力MPa-0.1设计温度℃-20~50工作温度℃-20~503贮存介质LNG腐蚀裕量mm0焊接接头系数0.85主要受压元件材料Q345R筒体几何尺寸mmΦ2486×5加强圈尺寸mm63×35×5.0容器类别三类绝热形式高真空多层绝热致密性检验氦检漏表3-1BD4706低温液体槽车外罐主要设计条件四、有限元计算分析软件的选取本次计算采用ANSYS公司的有限元分析软件－ANSYS做前后处理与分析计算。ANSYS是国际上最先进的大型通用有限元分析软件之一，已广泛地应用于工程上的各种计算与分析。它除了可以进行一般的结构分析外，还可以进行热分析、流体分析、电/磁场分析等多种物理场分析，以及热-应力分析、电磁-热分析、流体-结构分析、压电分析等藕合场分析。该计算程序已获得全国压力容器标准化技术委员会的认可，可以作为我国压力容器设计计算的有限元应力计算与分析软件。五、低温液体槽车结构的有限元分析计算本次低温液体槽车结构的有限元分析计算只包括外罐筒体的临界失稳外压计算，其他部件的计算见设计图纸及常规计算书。5.1计算模型的建立为了简化计算和降低计算规模，同时又保证计算结果的可靠性，根据低温液体运输车的结构，载荷和约束特点，有限元计算采用外壳的整体模型来建模，包括外筒体，外前封头，外后封头，L型角钢加强圈。不包括外罐其他附件结构。4其中筒体、封头采用三维壳单元，角钢加强圈采用自定义截面的三维梁单元。该外罐结构共使用了12318三维壳单元(SHELL181)和3440个三维梁单元（BEAM188），共15758个节点，约7.5万自由度。针对加强圈与罐体，定义了三个截面类型（SECTYPE），分别对应筒体，封头，角钢圈的截面。该外罐结构的有限元实体及单元网格见图5-1,5-2所示。图5-1低温液体运输车外罐结构的几何模型示意图5图5-2低温液体运输车外罐有限元计算模型单元网格图图5-3低温液体运输车外罐有限元计算模型单元网格图65.2.计算载荷的处理导致低温液体运输车外罐失稳的主要载荷为外壳承受的大气外压P外。在5.5节特征值屈曲计算过程中取P外=0.1MPa，以均压法向方式加在外壳表面。在5.6节考虑初始缺陷的非线性屈曲计算过程中，取P外=0.4286MPa，以均压法向方式加在外壳表面。该值是5.5节中特征值屈曲计算的结果。5.3边界条件为了防止在计算过程中出现刚体位移，选取若干节点，限制了罐体在圆周方向和轴向上的自由度。图5-3即为槽车外罐结构加上P外载荷及位移边界条件的有限元计算模型示意图。图5-4运输车外罐结构的载荷示意图75.4应力计算结果ANSYS有限元软件可用彩色云图输出结构计算模型中的节点位移值、各种应变及应力值等。本次报告采用的应力为第三强度理论中“应力强度”。在外压作用下外罐的应力强度分布如下图所示：图5-5外罐在P外压力下的应力强度分布（剖视图）由上图可知，外罐在外压作用下的最大应力强度区分布在封头过渡段内表面，为80.795MPa，低于材料的许用应力。并且该部件的设计计算及校核已由常规计算保证，这里不再展开应力线性化评判。5.5特征值屈曲分析下外筒体的失稳模态本计算过程采用线弹性特征值屈曲分析以确定失稳模态及临界压力。施加的载荷P外=0.1MPa。特征值屈曲分析解是一项理论解，该分析方法得到的结果比考虑几何非线性的屈曲分析得到的结果不保守。通常用该过程来获得结构的初始缺陷及非线性求解载荷，为后面的进一步分析作准备。8图5-5外罐的临界载荷及失稳模态在特征值屈曲分析中，施加外压p=0.1MPa，通过计算我们可以得到载荷因子：FACT=4.28601152由此可知，外罐的特征值屈曲分析的临界失稳压力：Pcr≈0.1×4.286=0.4286MPa，失稳时圆周方向波数为2。5.6失稳临界压力结果按5.5节中的分析结果获得结构的几何缺陷和载荷，该方法考虑了制造过程中产生的圆度误差，更加贴近实际情况。施加的载荷为5.5中所得到的临界失稳压力Pcr=0.4286MPa，施加的几何缺陷量为5.5节中计算得到的节点位移量的4倍。选用弧长法进行迭代求解，设置初始子步为10，载荷以线性方式加载。经过ANSYS的迭代求解及后处理的相关换算可得到下图：9图5-6几何非线性屈曲分析的载荷-位移曲线图，可以看出外壳结构在外压载荷约0.42MPa时筒体变形开始无限增大结果集时间步载荷步子步时间步增量390.970011391.03E-04400.970091408.67E-05410.970171417.16E-05420.970221425.75E-05430.970271434.43E-05440.97031443.18E-05450.970321452.01E-05460.970331469.04E-06470.97033147-1.48E-06480.97032148-1.15E-05490.97029149-2.10E-05500.97026150-3.01E-05510.97023151-3.89E-05520.97018152-4.73E-05表5.1非线性求解列表根据图5-6的曲线图及5.1非线性求解列表可知，载荷在第46个子步达到最10大值，随后的载荷-位移曲线图呈下降趋势。可以判断第46个子步对应的载荷即为临界失稳压力。Pcr=0.9703×0.4286=0.416MPa，取失稳安全系数ΦB=3可得到许用外压[P]=0.416/3=0.139MPaP外=0.1MPa[P]，合格六、结论本报告对BD4706低温液体运输车外罐进行了失稳分析计算分析与评定，其结构静强度和稳定性均能满足使用要求。