内压作用下储罐罐顶与筒节过渡段变形特征研究

发布时间：2020-07-19 05:07

【摘要】：钢制储罐广泛应用于石油化工行业中,椭圆形或锥形罐顶与筒节的连接结构在内压作用下过渡段环向区域会出现屈曲变形。目前关于薄壳结构过渡段内压屈曲变形特征相关研究较少,缺乏正确的解释,因此基于规范的力学计算和结构设计存在一定的不足或不合理之处。本文对内压作用下储罐不同罐顶结构与筒节过渡段变形特征进行研究,目的是能对该类复杂变形问题有更为深入的认识以便后续为相关结构的优化和准确设计提供参考,研究有着迫切的现实意义与广泛的应用前景。采用实验和模拟相结合的方法,研究了六组不同径高比的椭圆形罐顶-筒节试样过渡段内压变形特征。在内压实验中获得了各个位置应变和位移变化曲线,采用三维扫描仪获得试样实验前后的初始和最终表面轮廓数据。通过有限元分析方法对扫描模型(含有真实初始几何缺陷),进行材料几何双非线性模拟计算。结果表明:径高比越大,过渡段越容易发生向内的屈曲变形,到达一定程度后又整体向外变形,使得屈曲皱褶最终得到削弱;每个试样罐顶与筒节环纵焊缝处总会产生明显的皱褶变形;对含真实初始几何偏差的计算模型进行双非线性模拟所得的变形结果与实验测量值吻合度较好。采用相同方法研究了六组不同半锥顶角的锥形罐顶-筒节试样。结果表明:半锥顶角越大,过渡段更容易发生向内的屈曲变形,在锥壳和筒节处都可见呈一定周期性不均匀分布的明显波形;锥壳和筒节表面因初始几何缺陷具有起伏的位置随着升压最终会形成明显的屈曲波峰或波谷;应用扫描模型进行模拟计算得到的过渡段屈曲后形貌(位置、波数、形状)与实验结果相近;这类内压屈曲变形行为具有稳定的特征,变形的性质始终保持不变,属于极值点屈曲问题,且内部压力值无法观测到明显的突变。用一致缺陷模态法构造不同缺陷幅值的锥壳模型进行非线性分析,并与对应扫描模型计算结果对比后可知,虽然两者变形结果存在一定的差异性,但是在缺陷未知的情况下,可采用这种方法选取合适的e/t值进行模拟计算来等效研究真实结构的变形情况。总结全文,通过内压实验,形貌扫描以及数值模拟等研究工作,清楚掌握了储罐不同罐顶结构与筒节过渡段变形规律以及典型特征,同时基于真实几何缺陷模型的材料几何双非线性模拟计算方法经实验验证具有较高的准确度,进一步表明可采用这种方法对类似不同薄壳结构的变形问题进行求解分析。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE65;TQ053.2
【图文】：

薄膜应力,壳体,椭圆形,经向应力

力特点以回转壳体的形式应用在压力容器中，工程上一般把（本文主要研究薄壳结构在内压下的大变形问题，因此首壳在内压下的受力情况。论可知，内压作用下标准椭圆形壳体（长轴半径 a/短轴所示，经向应力φ在顶点为最大值，为拉伸薄膜应力，减小，在底边为最小值，此时与连接的圆柱壳的轴向应最大处为与经向应力相等，虽然也是沿着经线逐渐减小在底边处为达到最小。圆形结构长短轴之比 a/b＞ 2 时都存在，即在过渡段至 a/b 的增大，对应的压缩应力也就越大。因此结构的失有稳定性问题。目前 GB/T 150 中规定椭圆封头长短轴题的影响。

变形协调,圆柱壳,椭圆形,壳体

浙江工业大学硕士学位论文（学术型）、方向、大小不一样，目前按照分布规律如图 1-3 所示1.2 时，最大应力为环向拉伸应力，出现在底边位置。b 2.5 时，最大应力为经向拉伸应力，出现在过渡区的内5 时，最大应力为环压缩应力，出现在过渡区的外表面＞ 2 的薄壁椭圆形壳体，在内压作用下在过渡区会产生变形，且由于该问题较为复杂，尚没有准确的理论公仅是通过规定最小厚度来保证内压作用下的稳定性。

最大应力位置,椭圆形,壳体,通过规

导致失稳而发生变形，且由于该问题较为复杂，尚没有准确的理论公式能描述，因 GB/T 150 中也仅是通过规定最小厚度来保证内压作用下的稳定性。图 1-2 椭圆形壳体与圆柱壳的变形协调[1]

【参考文献】