大直徑玻璃鋼塔器平封頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

白英新，曲海飛

(昊華中意玻璃鋼有限公司，石家莊 050091)

大直徑玻璃鋼塔器平封頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

白英新，曲海飛

(昊華中意玻璃鋼有限公司，石家莊 050091)

探索大直徑平封頭合適的計(jì)算方法。對(duì)平封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：采用平板加筋結(jié)構(gòu)。利用有限元分析軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，并對(duì)其校核。為大直徑平封頭的設(shè)計(jì)提供了一種方法。

平封頭；玻璃鋼塔器；炭法煙氣脫硫塔；有限元；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引 言

玻璃鋼以其優(yōu)異的特性在航海、建筑、交通、環(huán)保、電子、化工、城市景觀等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，成為一種與國(guó)計(jì)民生休戚相關(guān)的功能性材料。玻璃鋼的發(fā)展，不但推動(dòng)了國(guó)家材料工業(yè)的進(jìn)步，縮短了我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，而且拉動(dòng)了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

目前，昊華中意玻璃鋼有限公司制作的8臺(tái)直徑9m的新型炭法煙氣脫硫塔(圖1)。

圖1 直徑9 m的新型炭法煙氣脫硫塔

此塔為玻璃鋼平封頭塔器，平封頭與圓形、橢圓形、蝶形、錐形封頭相比，它的受力情況是最差的，但有時(shí)因場(chǎng)地條件對(duì)塔器的高度有限制，不能超過(guò)指定的高度，這時(shí)必須采用平封頭結(jié)構(gòu)，如此大直徑的平封頭的設(shè)計(jì)方案需要優(yōu)化。

2 大直徑玻璃鋼塔器平封頭的常規(guī)設(shè)計(jì)

根據(jù)HG/T20696-1999《玻璃鋼化工設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)定》的規(guī)定，圓形平封頭最小厚度t計(jì)算公式為：

(1)

其中：D—儲(chǔ)罐直徑；

K—安全系數(shù)，取決于平封頭和筒體的連接方式；

P—設(shè)計(jì)壓力,MPa;

[σ]—平封頭材料許用應(yīng)力,MPa。

代入(1)計(jì)算厚度t=75 mm，由此得出的計(jì)算厚度值比較大，一方面產(chǎn)品的制造成本偏高，另一方面施工工藝也很難掌握。為了降低制造成本并保證強(qiáng)度，我們對(duì)平封頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：采用平板加筋的形式。需要解決的問(wèn)題是如何加筋、加筋的形式及數(shù)量需滿足使用要求。平板加筋的設(shè)計(jì)采用解析解計(jì)算偏差較大且很困難，而有限元軟件對(duì)模擬復(fù)合材料有很多優(yōu)勢(shì)，因此我們利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)加筋的平封頭進(jìn)行了模擬分析。

3 大直徑玻璃鋼塔器平封頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 平封頭的三維建模

平封頭的幾何形狀見(jiàn)圖2，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)平板厚度首先取20 mm，筋板厚(寬)度為10 mm，高度為100 mm進(jìn)行模擬計(jì)算。筋板與平板雙側(cè)粘接牢固，筋板縱橫各6根均布，材質(zhì)為玻璃鋼。平封頭與塔體按設(shè)計(jì)要求內(nèi)外粘接并且交叉纏繞外包角。

圖2 平封頭幾何形狀圖

圖3為劃分網(wǎng)格圖，殼選用shell63單元和梁選用beam189單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在平封頭與塔體的連接處施加全約束，平封頭僅受自身的重力載荷，并且保證在100×100 mm的面積上施加1 110 N不允許有永久變形和裂紋。玻璃鋼平封頭材料特性取如下值：彈性模量：12 000 MPa，泊松比：0.3，密度按1.6 g/cm3計(jì)算，強(qiáng)度值?。?40 MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)取：10。

3.2 模擬結(jié)果

下面對(duì)平封頭的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，首先查看一下shell63單元和beam189單元組成平蓋總的Von- Mises應(yīng)力應(yīng)變水平，如圖4～5所示。

從圖4看出只有筋板處由于約束作用應(yīng)力較大，σmax=13.725 MPa<〔σ〕=14 MPa，從圖5可以看出εmax=0.751‰<[ε]=1‰，所以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 平封頭建模及加載圖

圖4 應(yīng)力狀態(tài)水平

圖5 應(yīng)變狀態(tài)水平

再分別查看shell 63單元和beam189單元應(yīng)變水平，如圖6～7所示。

從圖6～7看出罐頂筋的應(yīng)變水平比平板的應(yīng)變水平高，對(duì)于平封頭來(lái)說(shuō)筋主要抵抗由于重力產(chǎn)生的變形，但并不是筋本身的慣性矩越大越好，太大容易造成筋本身的應(yīng)力集中，所以在對(duì)筋的截面尺寸選取時(shí)要綜合考慮，盡量使筋和平封頭共同承擔(dān)由重力及其它荷載產(chǎn)生的變形。

圖6 shell 63單元的應(yīng)變?cè)茍D

圖7 beam189單元的應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié) 語(yǔ)

以上優(yōu)化設(shè)計(jì)降低了生產(chǎn)成本，提高了制作效率，利用有限元分析軟件對(duì)大直徑平封頭進(jìn)行模擬計(jì)算，是一種快捷有效的計(jì)算方法，并且通過(guò)用戶的使用證明文中計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況基本吻合，滿足用戶的使用要求。

[1] 玻璃鋼化工設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)定HG/T20696-1999. 北京：全國(guó)化工工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1999：49-52.

[2] 余偉煒，高炳軍. ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：204-455.

[3] 李卓球，岳紅軍. 玻璃鋼管道與容器[M]. 北京：科學(xué)出版社，1990：382-494.

Design Optimization on the Flat Heads of Large FRP Towers

BAI Yingxin，QU Haifei

(Hao Hua Zhongyi GFRP Co.,Ltd, Shijiazhuang,Hebei Province 050091)

Exploring the calculation method on the large flat heads. Structural optimization of the flat heads by means of reinforcement ribs on the flat heads. Simulation calculation, strength & stress chart plotting and verification are carried out by means of finite element analysis software. A new method is provided for the design of large flats heads.

flat heads; FRP towers; activated carbon flue gas ; finite element; the optimization of design

2016-07-19)

白英新(1975-)，女，河北人，本科，工程師。研究方向：復(fù)合材料設(shè)備設(shè)計(jì)。E-mail：baiyingxin0@126.com.