不同材料臥式儲液容器應(yīng)力與變形分析

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)

柔性儲液容器具有安裝、運輸便捷、性價比較高等優(yōu)勢，被廣泛用于分配液體與液化氣體、儲運等領(lǐng)域，但柔性儲液容器由于易于變形及穩(wěn)態(tài)性差的問題，容易引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)及穩(wěn)定性問題[1]。Yasir Zulfiqar等[2]采用FSI的方法,對圓柱形儲液罐晃動過程中頂板形狀的變化進行了結(jié)構(gòu)評估，并提出估算儲罐結(jié)構(gòu)強度和總變形的經(jīng)驗關(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液容器跌落過程中的慣性效應(yīng)以及液體對容器所產(chǎn)生的側(cè)向壓力，并評估了容器的安全性和結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性。劉煥忠等[4]利用附加質(zhì)量法對儲液容器進行了試驗研究，并對儲液容器提出了詳細(xì)的狀態(tài)變量曲線，為儲液容器的設(shè)計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)，對摩擦擺系統(tǒng)(FPS)隔離的液罐進行模擬，分析表明考慮流固耦合的FEM對FPS隔離式儲液罐的分析可能更為合適。邢金瑞等[6]分別采用了Housner和Veletsos簡化方法分析剛性和柔性2種儲液罐的抗震問題，并介紹了2種儲液罐液動壓力的簡化計算式。Wei Jing等[7]驗證了隔震可以作為儲液容器的有效減震措施。Wei Guomeng等[8]利用晃動的幅值和頻率的不同，研究了充液過程中不同晃動條件的影響,觀察到當(dāng)晃蕩超過臨界值時,儲罐內(nèi)壓曲線明顯增大。

國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在容器的動力特性方面，而對不同材料容器在結(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種材料對儲液容器在承受不同壓力作用時總應(yīng)力與總變形的變化趨勢進行分析，為儲液容器的設(shè)計及其制造提供工程參考。

1 儲液容器結(jié)構(gòu)與建模

儲液容器的應(yīng)用與材料選型范圍非常廣泛。目前我國使用范圍最廣的結(jié)構(gòu)形式為拱頂、浮頂和臥式。本文以臥式結(jié)構(gòu)為例進行研究分析，儲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程中能確保在有氣體或液體以及其他物質(zhì)在進入容器時不會發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，對容器起到密封的作用；安全附件用于保證容器的安全使用，防止并及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。

圖1 儲液容器結(jié)構(gòu)

儲液容器的建模采用實體三8節(jié)點185號單元，邊長為0.04 mm的六面體對模型進行有限元網(wǎng)格劃分，劃分后的容器模型共有48 285個單元，70 890個節(jié)點。模型中儲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 儲液容器的有限元模型

材料在工業(yè)容器設(shè)計中至關(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3種材料的儲液容器進行變形及應(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，在此不逐一進行建模分析。

建模時在儲液容器內(nèi)部施加的壓力載荷為600 MPa。在2個封頭的焊接處分別施加了水平位移約束，并進行計算。

圖3～4分別顯示了儲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。這是因為儲液容器的構(gòu)件在外形尺寸、幾何形狀發(fā)生變化時引起局部內(nèi)應(yīng)力的顯著增大從而造成應(yīng)力集中。因此在工程焊接過程中避免由于焊接時生產(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，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為材料在運輸和卸裝過程中會受到各種外力的作用，從而影響材料成型的精確度，使制造的儲液容器容易發(fā)生變形和彎曲等現(xiàn)象。所以在運輸及卸裝過程中避免受外力的擠壓，在生產(chǎn)和使用過程中對組裝焊接、環(huán)境溫度等因素高度重視，消除儲液容器的應(yīng)力減小變形。

圖4 壓力作用下的總變形(單位：mm)

儲液容器所受的壓力值分別為2、4、6、8 MPa。對于不同壓力值，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，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的趨勢進行增加；鈦合金的變形量比其余2種材料的變形量大，鈦合金變形是因為鈦的密度僅為鋼密度的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；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為間距進行增加。這是因為容器受到外部壓力的影響，使容器的各個部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，為抵抗這些內(nèi)力的作用，應(yīng)力會隨著壓力作用的增加而逐漸變大。對于壓力值比較高時，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)力之比計算了容器設(shè)計的安全系數(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，安全系數(shù)呈下降趨勢；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完成。

3 結(jié)論

1)不同材料儲液容器的變形量隨著壓力值的增加而逐漸呈上升趨勢。在壓力值為8 MPa時，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。

2)不同材料儲液容器的應(yīng)力隨著壓力值的增大呈線性增長。鈦合金和不銹鋼的應(yīng)力在隨著壓力值增大時變化較大。當(dāng)壓力值增大到8 MPa時，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)力高于其抗拉強度，所產(chǎn)生的安全系數(shù)小于1。