大跨度隔油池玻璃钢盖板的设计及有限元分析外文翻译资料

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复合罐盖设计

作者 Agnieszka Bondyra , Marian Klasztorny , Aleksander Muc

Department of Machine Design, Faculty of Mechanical Engineering, Krakow University of Technology, Al. Jana Pawla II 37, PL-31864 Krakow, Poland

Department of Mechanics and Applied Computer Science, Faculty of Mechanical Engineering, Military University of Technology, ul. gen. S. Kaliskiego 2, PL-00908 Warsaw, Poland

关键词：复合盖 复合接头 有限元法 静态分析 失败

摘要

本文讨论了有关复合罐盖的设计和失效分析的问题。由罐的节段部分组成的覆盖系统独立地存在于罐结构。复合盖有几个与结构、运输和装配有关的优点。此外，复合盖分为几个部分，能够让维修和检查更方便。然而，罐盖一方面有时发生的失效和另一方面新的应用使得有必要开发这些结构的设计、分析和优化。在本文的研究中，展示了GRP盖相对于其他盖和屋顶系统的主要优点，介绍了有代表性的矩形复合罐盖、节段和接头的构造，提出了在组合载荷下的覆盖段故障分析。在波兰的污水处理厂建有示范盖，示范盖是由具有彼此重叠的凸缘的重复的双波段构成，这些波段是由混合的玻璃纤维增强塑料层压板制成。示范盖承受以下静态载荷：静载荷，工艺真空，雪和冰以及局部载荷（带有工具的工人）。在研究中使用有限元码MSC.Marc进行对示范盖板的静态分析，要考虑的因素很多包括盖的壳几何形状，具有特定层序列的结构GRP层压件，铆钉螺母和锚固螺母类型的段连接，在凸缘之间的界面处以及在法兰和罐壁之间的界面处的摩擦。研究人员并且分析了示范复合盖的不同元件的安全系数。

1介绍

屋顶和覆盖系统是在典型的建筑结构例如房屋，健身房，商店等中的著名的解决方案。原有的应用程序广泛用于覆盖工程结构，例如，一方面是钢-钢混凝土复合壳体屋顶，另一方面是复合覆盖系统。自支撑金属屋顶壳可以执行双重功能：拱梁和建筑物覆盖[1,2]。另一个有趣的解决方案设计，钢-混凝土组合壳屋顶（Comshell屋顶）是通过在薄钢板加固底壳（具有拉伸钢筋的永久性模板）浇筑混凝土形成。它是由螺栓连接的顶部开放的模块化单元组成的一个底板及周边板块的形成有两个方向的[3]薄筋构造。混凝土[4,5]，钢[6,7]罐拱顶在文献中被广泛描述。混凝土罐结构有时由于加强层的位置而引起的结构误差，这可以作为失效的结果被发现。自然灾害可能加速建筑物倒塌[5]。

地上油罐盖的形状是油罐类型的分类标准之一，这是因为设计产生了罐和盖的一般尺寸。有几个标准化的钢罐屋顶：固定（圆顶或球形帽），圆锥形（垂直对称轴，平底，浅锥顶），伞（自支撑结构，部分结构），圆顶。特别类型的罐顶是浮动盖，其具有外部或内部结构的形式，以减小暴露于大气影响的液体的面积。钢罐顶的设计要求包括在载荷：流体和内部压力，静水压试验，风和内部压力，重力和地震载荷[8]的组合下。

钢或混凝土屋顶用于覆盖筒仓，液体罐，仓库，展览室等。它们由扇形段，环，盖板和附加元件制成。 有限元分析（FEA）允许改进现有屋顶系统，这种结构的设计和这些系统在各种负载组合下的分析。 文献中介绍的系统计算方法论证明了考虑复合段之间的接头的必要性[9]。

存在各种覆盖系统应用：用于具有和不具有中心支撑件或走道的罐，用于不同的罐形状等。目前，这种类型的结构已广泛应用于诸如水库，污水处理厂，液体地上储罐，通道，螺旋泵站，特殊设计罐等应用中[10]。这些结构需要附加的特征，例如，封装或轻质，这导致增加使用GRP（玻璃增强塑料）。复合材料应用的发展允许设计现代罐盖。GRP复合材料及其优点是众所周知的：高抗拉强度和抗压强度，重量轻，耐化学性，良好的着色能力和抗紫外线性能，最大成型选择以及极好的耐候性和老化性–组装超过三十年的GRP覆盖层仍在使用中。用于覆盖结构的复合材料的主要缺点是复合材料的低横向剪切强度（分层）[11]。

制造商[10]使用玻璃纤维组件以垫子织物和无纺布的形式制成覆盖系统，严格遵守结构分析和适当的安全裕度。不锈钢用于接头和附加元件。切割边缘和钻孔仔细密封，可靠地防止水分渗透到层压板中。对它们的模块化系统的所有变体进行结构分析，特别考虑与具体情况和可能的具体负荷（例如高风或雪荷载）[11]相关的尺寸。

在复合盖设计中有两种主要方法：柱梁和填充稳定装置（矩形和小圆柱形罐）和自支撑结构，其由圆锥形或半球形（大圆形罐）的模块化部分构成。

与钢和混凝土相比，层压复合材料覆盖物对于工程师来说是优选的，由于几个优点，例如：

- 重量轻，

- 耐腐蚀性能，

- 盖的部分连接和拆除，

- 建筑学的考虑，

- 成本效益和设计灵活性（简单修改），

- 可靠的结构分析，

- 廉价生产精确匹配规格，

- 易于运输和组装，

- 灵活地优化刚度和强度性能。

工业结构呈现出各种各样的几何形状，堆叠顺序，约束和负载类型。这种品种需要在设计和开发的不同阶段采用充分的网格划分技术，分析类型和材料模型。

对于复合结构，还需要计算失效和损坏，因为这些可能在相对低的应力水平下开始。因此，重要的是要了解损害建模方法如何受到上面列出的许多因素的影响。

本文的贡献集中在由单向玻璃增强聚合物制成的结构失效的建模技术。

矩形储罐复合盖的静态计算和设计方法处于研究和开发的早期阶段[10,12,13]，然而，在文献中，更详细地描述了另一种类型的复合罐覆盖的情况。

复合覆盖物由段，例如以槽形形状制成。 在具有较小直径的罐中，可以通过使用平的夹层板来最小化构造的成本。在文献中考虑的圆形盖子是通过：活荷载（装载在约1/3的小区域至跨度的整个长度上），车身载荷（重力），中心载荷（在中心盖中）和热负荷（60℃，在分析中忽略，因为对偏转的影响小）。所有因素都适用于接近自然灾害，以获得现实的结果。文献中显示了使用对称平面并限制为一个或多个段的简单模型。螺栓间距也在考虑之列。设计约束限于30mm的最大挠度[14]。

盖主要构造成以便减少罐中的液体与大气的接触。段用螺栓连接。聚氨酯用于密封法兰连接。孔中的间隙设计成允许复合段的热位移[15]

导致盖损坏的临界负载的估计也应该考虑覆盖系统的段之间的相互作用以获得适当的值，例如钢屋顶[16,17]。然而，复合罐的全规格包括设计包括几个主要步骤：

1.罐的形状，公差，规定的定义尺寸。

2.附加设备如桥梁，管道等的集中

3.定义检修/清洗等通道口

4.设计荷载条件：风，雪/沙，静荷载（工作人员）：偶尔访问（清洁），频繁访问（检查）和区域和走道。

在本工作中，考虑矩形复合盖，而省略额外的设备和访问舱口。使用有限元法（FEM）讨论和验证复合罐盖的加载条件的设计规则。

2复合盖接头建模

具有凸缘并且在整个盖和罐壁（混凝土）之间的节段之间的接头是盖组件的重要方面。 在文献回顾中，主要使用螺栓接头来连接盖部件[9,10,14,15,18]。 然而，油箱盖段有时通过铆钉螺母单个搭接接头和锚 - 螺母接头彼此连接，并且在段之间具有结构间隙。 为了封装罐，橡胶垫圈经常放置在铆钉螺母接头中。 盖子通过带有结构间隙的锚-螺母接头连接到储罐的壁上。 关于接头的实验和数值结果在参考文献[19,20]中进行。

一些作者分析了层压板的经典螺栓接头。 McCarthy等人[21]在弹性范围内开发了单螺栓接头的3D模型。参考文献[21]中的一个已验证的模型被用于参考文献[22] 去测试公称直径为8mm的微型间隙孔对应力和应变的分布，接头的刚性和损伤的开始的影响。复合材料螺栓连接的模型由Gray和McCarthy [23]开发。实验和模拟都与只在弹性范围内。在参考文献[24]中已经开发了对复合材料负载分布对螺钉连接器的组合数量的分析方法，其中接头和层压体由一组弹簧和质量表示。

复合材料的宏观机械模型根据各自的层压理论来制定。在层状壳的2D模型的情况下，等价单层理论和离散层理论在文献中呈现。这个模型与基尔霍夫 - 爱的薄壳的经典理论结合使用通常被称为经典层压理论（CLT）。对具有良好精度的层压材料的弹性行为的建模需要考虑横向剪切变形。由于跨越壳体厚度的恒定剪切分布，用于板[25]和壳[26]的这些模型需要适当的横向剪切变形因子。在离散层理论（DLT）中，每个层板单独考虑[27]。

复合材料的优点包括确定由材料承载的替代复杂应力的导致材料的破坏的应力极限。代替限制应力，应变可被认为是材料的替换塌陷变形，这导致材料失效。到目前为止，已经制定了一些复合层的强度假设[19,28,29]。

在几篇参考文献中例如[13]已经开发了层压复合壳的数值模拟。在研究期间，对梁试样进行了数值和实验测试，以便使用MSC.Marc软件开发均匀或混合层压板直到失效的建模和模拟的选项。

3复合罐盖分析

复合罐盖的设计规则部分基于钢和混凝土屋顶，但简化其静态计算常常导致施工失败[15]。 在没有关于罐的复合材料覆盖物的标准的情况下，也使用复合材料压力容器和管道标准的设计标准[30-35]。

3.1 案例研究的描述

工作考虑主要用于分析选定的矩形地下储罐的复合盖。 盖子由具有相互重叠的凸缘的两个波段组成，相对于覆盖物横向地布置。区段确保在双边纵向排水略有下降。

许多可重复的部件允许快速制造系统制造。另外，可以优化这些结构。 覆盖段由混合玻璃纤维增强层压板（具有织物，垫或粗纱增强层的层）制成。分析的覆盖物处于以下静载荷下：静载荷，工艺真空，雪，冰和活荷载。

该研究提出了Goleniow的氧稳定室废水处理厂的复合覆盖层的情况，以下称为KST的覆盖[18]。水箱完全位于地下，水箱盖具有矩形水平横截面。复合盖由工作平台分为两部分，在计划中每一个截面的尺寸asymp;22mtimes;16m。在每个部分，有一个7段的系统，其理论跨度为lasymp;10m。盖的详细信息（各层的序列，该段和其他的安排）示于图1和图2中和表1-3。使用以下符号：1W-波段，2W-两波段，TS-上段，BS-底段，RN（铆螺母）联合-两个法兰，A-N1（锚杆螺母之间的联合）-面板法兰和混凝土墙之间的接头，A-N2（锚固螺母）-两个法兰和混凝土墙之间的接头。

底部和顶部区段交替布置（图1），即，每个顶部区段与两个底部区段相互作用，并且每个底部区段与两个顶部区段相互作用。在双对称负载和双对称段的情况下，存在两个对称平面：穿过跨度段的装置的横向竖直平面和穿过纵向轴段的纵向竖直平面。确定横截面的实例（A-A）以便显示板斜率。计算子系统限于：1/4的TS和BS段，10个R-N接头，3个A-N1接头，1个A-N2接头。

图1 Goleniow覆盖计算子系统[18]

图2.复合覆盖中使用的A-N1，A-N2，RN-B接头的细节

基于所选择的复合覆盖物，聚合物基体，增强，制造技术，添加剂在材料，施工进度表的设计假设，选择节段和接头的几何形状。覆盖段是用手工铺层方法（垫增强层和织物增强层）和喷涂技术（切割的玻璃纤维粗纱层）制造的。基质树脂是聚酯树脂（Polimal 104T）。 保护层（凝胶涂层，面涂层）的厚度为0.35mm。 层的顺序和厚度设置在表1中，其中引入以下符号：

- STR600-双向平衡平纹织物（600g/m2）和相对于主轴的堆叠序列[0/90]

- CSM450 - E-玻璃布（450g/m2），

- CGR - 喷雾E玻璃纤维粗纱。

表格1 覆盖系统KST的堆叠顺序（顶部）[mm] [3]

根据标准[18,36-38]在温度20℃下进行层压材料的机械性能的实验测试。 缺失材料常数由平面1,2中的平衡正交各向异性材料的条件确定[19,36,37]，其中-在主方向拉伸和压缩最终的正应变ij = 12; 23; 31，-在主平面中的极限剪切应变ij，ij = 12;ij = 12; 23; 31和t，c分别表示张力和压缩特性。表2a和b总结了层压材料性能（弹性-脆性材料的线性模型）。

表2a弹性常数[5]

表2b强度和极限应变[5]

在标准[32]中，有三种型号的设计：第一基本，第二基本和高级。 在Goleniow覆盖的情况下，满足第一基本设计条件（材料性能至少测定5个样品）。 部分安全系数假设如下[32]：

材料试验

耐化学性

=1.24 温度的影响

负载周期数的影响

覆盖的耐用性-30年

其中：Td - 设计温度，HDT - 挠曲温度。从标准方程计算全球安全系数

3.2 复合接头

使用铆钉螺母接头和锚固螺母接头连接这些节段（图2）。 复合段用R-B接头（铆钉螺母Oslash;13-螺栓Oslash;10）连接在一起，如表3所示。

表3 frac12;覆盖系统KST的分段特性

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