多层包扎容器强度分析和优化设计
压力容器包括单层和多层两种结构形式,其中多层结构又分为多层包扎式、缠绕式以及热套式等。多层包扎式容器作为工业领域中应用较为广泛和成熟的多层结构容器之一，具有诸多特殊优势。相比单层厚壁容器来说，多层包扎容器不仅内筒和层板可以采用不同的材料，而且在制造过程中层板包扎会在筒体产生预应力，可以提高容器工作时的承载能力。但在多层包扎容器设计时,预应力一直没有得到合理地利用，仅作为强度储备。另外，多层包扎筒体会因为制造精度不够而产生层间间隙，对容器造成不利影响。因此，研究预应力和层间间隙对多层包扎容器强度的影响，对保证容器的安全运行、提高容器经济性等方面具有重要意义。本论文采用理论分析和数值模拟相结合的方式，对多层包扎容器进行了强度计算、优化设计和应用研究，主要内容和结论如下: (1)基于拉美公式和强度理论，得到了多层包扎容器在工作状态下的筒体应力计算式。利用ANSYS对多层包扎容器进行数值模拟，得出了与理论计算结果一致的筒体应力分布情况。数值模拟与理论分析均发现预应力使筒体内部应力水平显著降低，筒体沿壁厚方向工作应力分布更为均匀。 (2)为提高筒体的承力性能，提出将多层绕带式容器的预拉应力设计方法应用到层板夹紧力的设计上来。为快速准确进行多层包扎容器筒体应力计算，利用Python-Tkinter模块开发了多层包扎容器的筒体应力计算通用软件。 (3)建立了以多层包扎容器内筒厚度、层板层数和厚度为设计变量，弹性失效设计准则和变量几何范围为约束条件，筒体所需材料的成本最低为目标函数的优化设计模型。以某多层包扎筒体为例，经过优化设计后,有效提高了筒体的制造经济性;即使对于充装腐蚀性介质的容器，内筒体必须采用不锈钢时，优化后仍能降低筒体的成本。 (4)基于多层包扎筒体微元体的力学平衡方程和von-Mises屈服准则，推导得到了多层包扎容器筒体在有无预应力、有均匀层间间隙时的筒体全屈服极限载荷计算表达式。根据塑形垮塌判据，利用ANSYS对多层包扎容器进行了极限载荷分析。数值模拟与理论分析均表明预应力提高了筒体的弹性性能，但没有提高容器筒体的极限承载能力。另外，研究也表明层板间隙也没有影响容器的极限承载能力，多层包扎容器的极限载荷只与容器的材料性能、内筒厚度、层板厚度及层数有关。 (5)完成了某多层包扎高压储氢容器材料选用、主体结构设计和健康检测系统设计，并根据分析设计标准对该容器进行了设计工况、耐压工况下的应力评定和疲劳校核。
多层包扎容器;应力分布;承力性能;优化设计
北京化工大学
硕士
机械
钱才富;刘雪梅
2023
中文
TH49
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）