请教玻璃钢罐体厚度设计方面的问题

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玻璃钢罐体厚度设计

一、选择贮罐各层所用的原材料  

（1）内表层： 其功能是抵抗介质腐蚀，是防腐蚀结构的主要组成部分。其制造方法有两种。一是用玻璃纤维表面毡、有机纤维表面毡或其他增强材料的富树脂层，要求含胶量达到90%左右，其厚度为0.25mm—0.5mm。二是采用热塑性塑料，如聚氯乙烯或橡胶等内衬材料。（呋喃树脂，中碱纤维）  

（2）次表层： 其含胶量比内表层低，约70%—80%。通常采用短切纤维做成的短切毡铺成；其主要功能是防止介质渗漏。次表层通常至少含有1200g/㎡的短切原丝毡。  

内表层和次表层因选用韧性好、冲击强度搞高的耐腐蚀性树脂。内表层和次表层的组合纤维含量应为（27±5）%，组合厚度不小于2.5mm。  

（3）结构层： 其是储罐的主要结构，用来承受外载荷，由连续纤维缠绕成型或由纤维织物手糊成型，含胶量35%—55%。玻璃钢储罐的结构设计主要是确定这一层的普曾方式和厚度。  

（4）外表层： 它是储罐结构层的外保护层。主要功能是保护结构层免受外界机械损伤和外界环境条件引起的老化。同时也是对储罐外表面的装饰。其含胶量约为60%—70%。外表层也可以用树脂腻子修补后喷漆处理。  

二、结构设计  

1、贮罐构造设计 

①容积换算            

浓度为质量分数50%的硝酸, 其密度为ρL=1.25t/m2 , 50t硝酸的体积为 V=50/1.25=40m3。 

②贮罐构造尺寸确定       

贮罐直径取2.5m，则贮罐长度为L=V/(D/2)2π=40/4.9=8.16m。 

初定贮罐结构尺寸为 :

D=2.5m          

L=8m 

③封头形式确定             

选用半椭球形封头，H=0.6³(D/2)=0.75m. 

④伸臂长度确定           

根据规定A≤0.2L，即A=0.2ｘ8=1.6m。 

⑤支座及间距           

选用鞍形支座，宽0.2m，包角120°。支座间距为: L-2A=8-3.2=4.8m 

2、贮罐荷载和设计简图 

①贮罐构造，如图所示     

②荷载计算      单位长度荷载为          q=1.1πR2ρL=1.1³3.14³1.252³1.25=6.74t/m=67.4KN/m 

3、贮罐应力计算    按双支座外伸梁计算贮罐受力。计算长度                   

L计=L+2³2/3H=8+2³2/3³0.75=9m

①贮罐承受荷载的弯矩及剪力如图。     ②受力计算  

a．支座反力                        

FA=FB=1/2q(L+4/3H)                      

=67.4/2(8+4/3³0.75)                      

=303.3kN b．

支座处剪力      

当取支座内侧截面时，          

Q内=FA-qA-2/3Qh=303.3-67.4³1.6-2/3³67.4³0.75=161.8kN 当取支座外侧截面时，            

Q外=qA+2/3qH=67.4³1.6+2/3³67.4³0.75=141.5kN

b．支座处剪力      

当取支座内侧截面时，          

Q内=FA-qA-2/3Qh=303.3-67.4³1.6-2/3³67.4³0.75=161.8kN 当取支座外侧截面时，            

Q外=qA+2/3qH=67.4³1.6+2/3³67.4³0.75=141.5kN

c．支座和跨中弯矩              

支座处弯矩计算              

MA=-1/2q(A+2/3H)2=67.4/2³(1.6+2/3³0.75)2=-148.6kN ²m      

跨中弯矩计算            

Mm=1/2q(L+4/3H)2-1/2q(L+4/3H) ³(L/2-A)             

=67.4/2³(8+4/3³0.75)2-67.4/2³(8+4/3³0.75) ³(8/2-1.6)            

=2001.8kN²m 

4、由贮罐轴向应力计算壁厚      

贮罐贮罐轴向应力发生在跨中贮罐底部和支部处贮罐的顶部，计算结果取最大值。  

①跨中贮罐底部轴向应力按公式δ=R2ρL/t+Mmax/πR2t≤[δx]  缠绕聚酯玻璃钢的轴向拉伸强度由《材料力学》第3章表3-13差得为85~165MPa，取强度值160MPa。则[δx]=160/K，K为载荷系数，试验表明K=13.4。则[δx]=11.9 MPa（119kg/cm2）, 由《材料力学》改变式（4—10）为求贮罐底部厚度，则     

t=R2ρL/[δx]+Mmax/πR2[δx]   

=1252³0.00125/119.4＋20018000/3.14³1252³119.4     

=3.69cm  

②支座处贮罐顶部厚度 

δ Max =MA/πR2t即t= MA/πR2[δx]   

t=1486000/3.14³1252³119=0.254cm 

5、按剪力计算支座处贮罐厚度    

贮罐的最大剪力发生在支座底部，当支座处有加强圈时，按式（4—14）计算。        

τ Max =QMax/πRt≤[τ]            

即t= QMax/πR[τ]  聚酯玻璃钢的剪切强度为8.9 MPa，取安全系数为8，则[τ]=1.11 MPa         t=16180/3.14³125³11.1=3.7cm 

6、按环向应力计算贮罐厚度    

贮罐环向应力的最大值，发生在支座处。  

设支座处的贮罐壁厚t=3.7cm，支座宽度Bo=20cm，则单元环的有效宽度B按式（4—20）计算。          B=B0+2(Rt)1/2/[3(E0/EL)(1-ν0νL)]1/4   

缠绕聚酯玻璃钢的环向和轴向弹性模量分别为2³10和1³104，其泊松比为0.3和0.15，代入上式，则单元环的有效宽度为：          

B=20+2³（125³3.7）1/2/[3³2³104/1³104³(1-0.3³0.15)]1/4                     =20+2³21.5/1.55=47.7cm  

当=120°时，由表4—2查得=0.053。由表3—13差得缠绕玻璃钢的环向拉伸强度为=300MPa  弯曲强度为=150 MPa。按式（4—25）求得   

δβ=Nβ/Bt+ Mβ/πR2t     

即t= Nβ/B[δy]+ Mβ/πR2[δm]  

取安全系数K=8，则[δy]=300/8=37.5MPa,   [δm]=150/8=18.75MPa。  

t=0.34³3033/48³37.5+0.053³3033³125/3.14³1252³18.75  

=0.57+0.04=0.61cm 

7、半椭球形封头壁厚计算   

按式（4—28）计算半椭球形封头壁厚  

t≥PDM/2[δy]=1.25³250³0.79/2³37.5=0.33cm 

式中[δy]=300/8=37.5MPa  

M=1/6[2+（D/2H）2]=1/6[2+（250/2³75）2]=0.79 

8、设计结果处理  

① 由轴向应力计算贮罐中壁厚，t=36.9mm; 

②由支座剪力计算支座底部壁厚，t=37mm; 

③按环向应力验算支座处壁厚，t=6.1mm; 

④封头强度计算壁厚，t=3.3mm。  

综上计算结果，考虑到缠绕成型的特点，确定：罐体、封头及支座处壁厚均选用37mm;在 支座处设加强圈，其宽度为50cm。