玻璃纤维缠绕压力容器接头分析.pdf

キ设计?计算
玻璃纤维缠绕压力容器接头分析
航天工业部43所陈放训
前言
确的设计方法。
玻璃纤维缠绕压力容器在宇航工业中首先
2、结构分析
使用以来,目前在化工、建鏡等工业中也得到
结构离散后的模型及结构尺寸如图2所
越来越广泛的应用。为了缠绕工艺和使用的需示。由于与接头连接的堵盖较厚,放忽略堵盖
要,通常要在容器的两端安装金属接头(一般的变形,将螺栓考虑为端部作用以弯矩M2、
为铝合金)。容器的结构尺寸及缠绕规律按玻轴向力Q2的悬臂梁」接头的肩部考虑为表面
璃钢容器的设计理论确定以后,如何确定金属作用以等效分布載荷P。,内边缘作用以弯矩
接头的形状和尺寸,就成为玻璃钢容器设计的M1、剪力Q1的环板」接头的圆环部分作用以
重要内容之一。
剪力Q1,弯矩M1、M2和拉力Q2。
接头肩根部是压力容器的重要受力部位,
见图1。目前一般采用内周边固定的悬臂环板
公式(1)来计算接头的肩根厚度h,而接头的高
度、宽度B以及接头的堵盖连接的螺栓等,
刚是凭经验、并多少带点盲目性地去选取。
叫「圆环へM/{H出HI
熠盖Nン
抟兴
图2接头离散模型
若容器所受内压力为Po,则Q1、Qa可用
平衡条件确定
Q
图1玻璃钢容器接头结构
Rop
0
然而,用内周边固定的悬臂环板公式去确
等效分布载荷P。可由以下平衡条件确定
定接头的肩根厚度是非常近似的,因为接头的
2xb?Q1=x(a2-b2)P
圆环部分毕竞是弹性环而不是刚性环,而且圆将式(1)代入上式,得
环的高度、宽度以及螺栓的直径和个数对肩根
部的弯矩都有很大影响。本文将考虑这些影响
因素来对接头进行分析,从而得出接头的较精式中ξ为肩宽比,=b/
23
O1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
环板在M1、Q1、P作用下,内边缘的转角为(推导从略):
12b〔(1
2
(1-2)E:h
2+1+v)Mr+3(1-v2)b3Po
E, h3
In
)(1
3b Po
2
2(1-52)E
3+vー-(1-v)2+4(1+v)
(4)
圆环在M1、M2、Q、Q2作用下的转角为:
95 R2M
12R2
EI
EBH3(M1-M2+1/4?bBPo
(5)
螺栓在M2作用下,端部(与圆环连接处)的转角为
4SI
E
在式(4)、(5)、(6)中,E1、v分别为接头的弹性模量和泊松比;E2为螺栓的弹性模量:R为
圆环截面的形心到旋转轴的距离(即环截面形心园的半径),1为堵盖厚度,亦即露在接头外的
螺栓长度,S为两相邻螺栓孔之间的距离,共它尺寸如图2所示。
由于环板内边缘与圆环连接处的转角应连续,螺栓与圆环连接处的转角也应迮续,即
(7)
p
(8)
将式(4)、(5)、(6)代入式(7)、(8)并整理之,得
12b((1ーv)よ2+1+v
M
E,Sl
M
3b3po
2)h
TE
+3v+(1ーv)￡
(1+v)
(9)
2R
M
12R2,1E1:S1
3BR2P
BH
H3
H
(10)
当结构尺寸和其它设计变量给定后,由式以上单位皆为mms
9)、(10)可以解得弯矩M1、M2,从而进行
E:=0.72×101,E2=2.1×104,Po=1。
强度和刚度校核:
以上单位为kg/m2yV=0.3
接头膚根部外表面的奪曲应力为(弹
将上列数据代入方程(9)、(10)解得
性)
M1=6194,2kg
GM
M2=6237,5kg?mm/m。
h
将Mt、M2代入式(11)、(12),得
②圆环(亦即螺栓)的转角为
接头肩根部外表面的弯曲应力为
S1
=36.29kg/
TE
岡环(或螺牷)的转角为
3、计算举例及结果讨论
ψ=0,0635(弧度)=3,64°
〔例1)取某压力容器接头的结构尺寸如
为了说明圆环高度H、螺栓半径r以及肩
宽比对弯矩的影响,在例1的基础上,我们改
a=425,b=316,h=32,H=62,
变有关的设计变量,对方程(9)、(10)求解,
B=16,R=323,r=10,S=12
0。所得结果如图
5所示。
O1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
:E日月
接头高日,m面
图8弯矩与接头高H的关系
肩外圆半径a,mm
图5弯矩与肩外圆半径a的关系
定肩根部半径b,堆大肩外圆半径a(即减小肩
宽比),随着a的增大,Mュ、M:都有明显的
增大。
由上述分析可见,在其它条件得到满足的
情况下,为了减小弯矩M1、M2,尽可能增大圆
环的高度H、减小螺栓的半径x和肩外圆半径
4、南损厚度的确定
螺栓半径r,mm
对玻璃纤维缠绕压力容器设计者而言,最
关心的是,当结构尺寸和工作内压力给定以
图4弯矩与螺栓半径r的关系
后,如何确定接头的主要受力部件一一肩根部
由图8、4、5可以看到,圆环高度H对的厚度h。
M1几乎无影响,但随H的增大,M2有所下
为此,我们可以这样做:因为进行接头设
降;随着螺检半径r的增加、M1、M2都有明计时,肩根部的弯矩M:必须满足强度条件
显的增加,尤其是M2y增加得非常显著固
Ml= kah
(13)
式中ー一材料的许用应力,系数k(6(弹性〉
(塑性)
将式(13)代入方程(9)、(10),消去M2,得关于h的非线性方程
12r2k0h2 3BR2
12kob((1
2+1ヤV)+4ESL
BH3
E
2R2,4E1S
2(1-2)h3
BH
Ef
x「1+3v+(1ーy)2+
4(1+y)n5
25
O1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net