20 000 m3真空球罐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

齊大偉，李澤龍，吳斌，呂德潤

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000）

隨著風(fēng)洞等地面模擬設(shè)備的發(fā)展，對真空容器的容積要求越來越大，目前在用的最大容積為氣動(dòng)中心的10 000 m3真空球罐[1]，其為光球支柱結(jié)構(gòu)。某高超聲速高溫風(fēng)洞由于氣量巨大，根據(jù)總體風(fēng)洞試驗(yàn)需要，真空系統(tǒng)容積需達(dá)到40 000 m3，根據(jù)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)為兩臺(tái)20 000 m3真空球罐并聯(lián)使用，20 000 m3真空球罐為目前最大的真空容器。

工程中，對于外壓圓筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)都比較成熟，較大型的承受外壓的筒體，通常采用加筋的方法，既可提高其外壓穩(wěn)定性又能夠節(jié)省材料，提高經(jīng)濟(jì)性。但對于承受外壓的球形殼體，由于目前國內(nèi)外的壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都沒有涉及球殼加筋結(jié)構(gòu)的外壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算[2-7]，通常采用增加球殼厚度的方法提高其外壓穩(wěn)定性，這使得大型真空球形容器質(zhì)量過大，并且球殼厚度增加到大于37 mm 后，焊接完成須進(jìn)行熱處理，20 000 m3真空球罐直徑達(dá)到33.7 m，熱處理難度極大。

本次設(shè)計(jì)的20 000 m3真空球罐不但容積大，而且球罐上包括1 個(gè)DN 4 500、兩個(gè)DN 4 000 和4 個(gè)DN 2 400 的大開口，綜合考慮建設(shè)成本及制造難度等因素，球罐采用內(nèi)加筋、裙座支撐的結(jié)構(gòu)形式。

1 球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于帶筋的球形容器，由于目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)均未提供帶筋容器的外壓設(shè)計(jì)方法，無法通過簡便的解析計(jì)算獲得直接結(jié)果，主要是采用數(shù)值分析方法進(jìn)行計(jì)算。通過對20 000 m3真空球罐采用多種加筋方案進(jìn)行對比計(jì)算，結(jié)果顯示：間距在2 200 mm 以內(nèi)的加強(qiáng)筋對提高球罐整體穩(wěn)定性效果明顯。

從設(shè)計(jì)計(jì)算的理論支持、施工方便等因素綜合考慮，20 000 m3真空球罐殼體材材料采用Q345R，結(jié)構(gòu)形式為球殼內(nèi)加筋，支撐形式為裙座支撐，球殼壁厚29 mm，內(nèi)部加筋為T 型筋，其中環(huán)筋30 道，縱筋56 道，筋間距約為1 800 mm，支撐裙座內(nèi)直徑19 565 mm，高度5 140 mm，裙座壁厚29 mm，裙座與球罐之間設(shè)置墊板連接減小局部應(yīng)力，真空球罐結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 20 000 m3 真空球罐結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of 20 000 m3 vacuum spherical tank

2 應(yīng)力分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

本文采用ANSYS 軟件對球罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，球罐所承受的載荷主要有：外壓、盲板力、地震載荷和沖擊載荷等。

2.1 真空球罐設(shè)計(jì)參數(shù)

真空球罐設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 真空球罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of vacuum spherical tank

2.2 結(jié)構(gòu)材料性能

20 000 m3真空球罐結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)溫度下各部件的材料性能數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 各部件材料性能數(shù)據(jù)Table 2 Material performance data of each component

2.3 有限元計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)工況結(jié)構(gòu)及載荷特點(diǎn)，對20 000 m3真空球罐建立整體模型[8]，殼體考慮1 mm 腐蝕裕量，加強(qiáng)筋腹板考慮0.7 mm 負(fù)偏差，加強(qiáng)筋翼板考慮1 mm 負(fù)偏差；接管N1 內(nèi)徑4 000 mm，壁厚29 mm；接管N2 內(nèi)徑4 500 mm，壁厚29 mm；接管N4—N7 內(nèi)徑2 400 mm，壁厚29 mm；接管N3 內(nèi)徑4 000 mm，壁厚29 mm，采用Shell93 和Solid95 單元對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（考慮焊縫的影響，接管與球殼連接局部采用實(shí)體模型）。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖2、圖3 所示。

圖2 真空球罐計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of vacuum spherical tank

圖3 真空球罐計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of vacuum spherical tank calculation model

2.4 應(yīng)力分析計(jì)算及結(jié)果

設(shè)計(jì)工況真空球罐裙座下端面按照固支邊界處理，約束三個(gè)方向的所有位移，真空球罐內(nèi)壁面施加-0.1 MPa 壓力載荷，接管載荷按表3 所示，具體加載情況如圖4 所示，整體施加豎直向下的重力載荷a1= 9.81 m/s2。

圖4 真空球罐結(jié)構(gòu)模型加載Fig.4 Loading of vacuum spherical tank structure model

表3 接管管口載荷Table 3 Loading of nozzles

設(shè)計(jì)工況真空球罐應(yīng)力分布如圖5 所示，接管及其補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖6 所示，裙座與球殼連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖7 所示，球罐加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖8 所示。接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定路徑如圖9 所示。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.5 Structural stress distribution

圖6 接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of pipe structure

圖7 真空球罐裙座與球殼連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of the connection structure between the skirt and the spherical shell of the vacuum spherical tank

圖8 加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.8 Structural stress distribution of stiffeners

圖9 接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of nozzle structure

2.5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力評(píng)定

設(shè)計(jì)工況下20 000 m3真空球罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力評(píng)定如表4 所示。

表4 設(shè)計(jì)工況真空球罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力評(píng)定Table 4 Structural strength and stress evaluation of vacuum spherical tank under design conditions

3 外壓穩(wěn)定性校核

20 000 m3真空球罐外壓穩(wěn)定性校核計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖10 所示，模型中去除球殼板的腐蝕裕量1.0 mm，去除加強(qiáng)筋腹板負(fù)偏差0.7 mm，翼板負(fù)偏差1.0 mm。約束裙座底部軸向和周向位移，模型表面施加0.1 MPa 外壓，并考慮重力載荷。首先對球罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行外壓特征值屈曲分析，獲得球罐結(jié)構(gòu)特征值屈曲的一階模態(tài)特征形變，如圖11 所示。

圖10 真空球罐外壓計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分Fig.10 External pressure calculation model and mesh division of vacuum spherical tank

圖11 真空球罐結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)分布Fig.11 First-order buckling mode distribution of vacuum spherical tank structure

根據(jù)真空球罐結(jié)構(gòu)特征值屈曲計(jì)算結(jié)果，參照相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙中對結(jié)構(gòu)形狀偏差的規(guī)定，為非線性屈曲分析計(jì)算模型施加初始缺陷，進(jìn)而對真空球罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析。

圖12 為真空球罐結(jié)構(gòu)非線性分析過程中位移最大點(diǎn)的載荷-位移曲線，從此曲線可以獲得真空球罐結(jié)構(gòu)外壓臨界載荷為0.33 MPa，根據(jù)GB 150 標(biāo)準(zhǔn)及釋義取安全系數(shù)為n= 3.0，則球罐許用外壓為[p]=pcr/n= 0.11 MPa。

圖12 真空球罐外壓計(jì)算載荷-位移曲線Fig.12 Load-displacement curve for external pressure calculation of vacuum spherical tank

4 結(jié)束語

20 000 m3真空球罐目前為國內(nèi)最大容積的真空球罐，加之開口多、受力復(fù)雜等因素，給真空球罐的設(shè)計(jì)帶來了極大的難度。該真空球罐目前已建成并投入使用，通過近6 個(gè)月的使用和對其主要應(yīng)力集中位置的監(jiān)測，各項(xiàng)指標(biāo)均低于設(shè)計(jì)計(jì)算得出的參數(shù)，真空球罐穩(wěn)定可靠。

由于國內(nèi)外壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均未涉及球殼加筋結(jié)構(gòu)真空球形容器的解析設(shè)計(jì)計(jì)算方法。采用非線性法對球殼加筋結(jié)構(gòu)真空球形容器的外壓穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果能夠達(dá)到要求，該方法適用于該類容器的設(shè)計(jì)。

采用加筋的結(jié)構(gòu)降低了球殼板的使用厚度，較大幅度地節(jié)省材料，從而降低真空球罐整體重量，節(jié)約建設(shè)成本。