不同材料卧式储液容器应力与变形分析

王永超，杨 泽，孙彩华

(青海民族大学 土木与交通工程学院，青海 西宁 810000)

柔性储液容器具有安装、运输便捷、性价比较高等优势，被广泛用于分配液体与液化气体、储运等领域，但柔性储液容器由于易于变形及稳态性差的问题，容易引起结构响应及稳定性问题[1]。Yasir Zulfiqar等[2]采用FSI的方法,对圆柱形储液罐晃动过程中顶板形状的变化进行了结构评估，并提出估算储罐结构强度和总变形的经验关系式。聂君锋等[3]采用耦合欧拉-拉格朗日的方法模拟了液体在储液容器跌落过程中的惯性效应以及液体对容器所产生的侧向压力，并评估了容器的安全性和结构设计合理性。刘焕忠等[4]利用附加质量法对储液容器进行了试验研究，并对储液容器提出了详细的状态变量曲线，为储液容器的设计提供了重要的参考数据。Krishnamoorthy Agrahara[5]提出了在不连续处考虑流体与结构相互作用的有限元方法(FEM)，对摩擦摆系统(FPS)隔离的液罐进行模拟，分析表明考虑流固耦合的FEM对FPS隔离式储液罐的分析可能更为合适。邢金瑞等[6]分别采用了Housner和Veletsos简化方法分析刚性和柔性2种储液罐的抗震问题，并介绍了2种储液罐液动压力的简化计算式。Wei Jing等[7]验证了隔震可以作为储液容器的有效减震措施。Wei Guomeng等[8]利用晃动的幅值和频率的不同，研究了充液过程中不同晃动条件的影响,观察到当晃荡超过临界值时,储罐内压曲线明显增大。

国内外学者的研究主要集中在容器的动力特性方面，而对不同材料容器在结构受压方面的研究较少。钛合金、不锈钢、滚塑钢衬塑3种材料拥有较强的耐腐蚀性、抗冲击性以及良好的密封性等特性，但是承压能力各不相同。本文选取以上3种材料对储液容器在承受不同压力作用时总应力与总变形的变化趋势进行分析，为储液容器的设计及其制造提供工程参考。

1 储液容器结构与建模

储液容器的应用与材料选型范围非常广泛。目前我国使用范围最广的结构形式为拱顶、浮顶和卧式。本文以卧式结构为例进行研究分析，储液容器主要由圆柱形筒体、椭圆形封头、支座、法兰及一些安全附件构成，如图1所示。圆柱形筒体是提供工艺所需的承压空间；支座主要起支撑容器的整体重量以及固定作用；法兰在容器和管道连接的过程中能确保在有气体或液体以及其他物质在进入容器时不会发现泄漏现象，对容器起到密封的作用；安全附件用于保证容器的安全使用，防止并及时发现潜在的安全隐患。

图1 储液容器结构

储液容器的建模采用实体三8节点185号单元，边长为0.04 mm的六面体对模型进行有限元网格划分，划分后的容器模型共有48 285个单元，70 890个节点。模型中储液容器的圆柱形筒体两端与半椭圆形封头形成一体化，如图2所示。在此次建模中不考虑压力表、安全阀等安全附件的影响。

图2 储液容器的有限元模型

材料在工业容器设计中至关重要，本文采用的3种不同材料分别为钛合金材料、滚塑钢衬塑材料、不锈钢材料。对3种材料的储液容器进行变形及应力研究分析。此类材料还具有良好的耐腐蚀性。所选材料的性能如表1所示。

表1 研究中使用的材料性质

2 应力与变形分析

本文以不锈钢材料为例进行建模分析，钛合金和滚塑钢衬塑材料的分析方法和变化规律均与不锈钢一致，在此不逐一进行建模分析。

建模时在储液容器内部施加的压力载荷为600 MPa。在2个封头的焊接处分别施加了水平位移约束，并进行计算。

图3～4分别显示了储液容器在不同压力作用下的总变形和应力分布，可以看出：最大应力分布于筒体与封头的焊接处，最大值是602.723 MPa；支座和圆柱形筒体的焊接处应力最大，应力值是517.207 MPa，筒体圆周上的应力较小为260.66 MPa；越靠近焊接处，应力集中效应越明显。这是因为储液容器的构件在外形尺寸、几何形状发生变化时引起局部内应力的显著增大从而造成应力集中。因此在工程焊接过程中避免由于焊接时生产裂纹、夹渣等现象的出现造成更大的应力集中。与此同时，在应力集中的部位可做局部加厚或者提高材料表面光洁度使应力集中系数下降。

图3 压力作用下的应力云图(单位：MPa)

由图4可以看出：容器的最大变形发生在圆柱形筒体的中间部分并且逐渐向两边缘减小，最大变形量为0.325×10-8mm，最小变形量为0.464×10-9mm。最大变形量发生在圆柱形筒体中间部分的原因是因为材料在运输和卸装过程中会受到各种外力的作用，从而影响材料成型的精确度，使制造的储液容器容易发生变形和弯曲等现象。所以在运输及卸装过程中避免受外力的挤压，在生产和使用过程中对组装焊接、环境温度等因素高度重视，消除储液容器的应力减小变形。

图4 压力作用下的总变形(单位：mm)

储液容器所受的压力值分别为2、4、6、8 MPa。对于不同压力值，3种所选材料的变形、应力的输出参数分别绘制于图5～6中，图6反应了材料的安全系数。

图5 不同材料不同压力下变形比较

图6 不同材料不同压力下应力比较

由图5可以看出：变形量随着压力值的增加逐渐增大；当压力值每增加2 MPa时，钛合金、不锈钢、滚塑钢衬塑材料的变形量分别以1.25、0.64、0.62 mm的趋势进行增加；钛合金的变形量比其余2种材料的变形量大，钛合金变形是因为钛的密度仅为钢密度的60%，钛的弹性模量也比较低，这使得金属易于弯曲和变形。

由图6可以看出：应力随着压力的增加呈上升趋势；随着压力值的增加钛合金、不锈钢、滚塑钢衬塑材料的应力值分别以113.16、110.24、121.36 MPa为间距进行增加。这是因为容器受到外部压力的影响，使容器的各个部分之间产生相互作用的内力，为抵抗这些内力的作用，应力会随着压力作用的增加而逐渐变大。对于压力值比较高时，钛合金产生的应力比另外2种材料高而更有效地使容器在发生变形之后能够恢复到原来的位置。

根据有限元分析得出的应力值与材料的极限应力之比计算了容器设计的安全系数(FOS)，并将得出的结果以折线图的形式绘制，见图7。

图7 不同材料安全系数变化曲线

由图7可以看出：当压力值逐渐增大时，安全系数呈下降趋势；不同材料的安全系数紧随着压力值的降低而逐渐升高，其中钛合金的安全系数最高为2.34。对于所研究的材料，安全系数的提高可以借助较低的压力值来完成。

3 结论

1)不同材料储液容器的变形量随着压力值的增加而逐渐呈上升趋势。在压力值为8 MPa时，钛合金、不锈钢、滚塑钢衬塑材料的变形量分别为8.78、6.48、4.73 mm。钛合金的变形量较大体现出了钛具有良好延展性的特点。

2)不同材料储液容器的应力随着压力值的增大呈线性增长。钛合金和不锈钢的应力在随着压力值增大时变化较大。当压力值增大到8 MPa时，钛合金和不锈钢的应力分别为737.71、706.28 MPa；而滚塑钢衬塑材料的应力相比钛合金及不锈钢较小，为509.08 MPa。钛合金相比于其余2种材料的应力较高。

3)安全系数随着压力值的增加而逐渐降低，钛合金的安全系数最高为2.34。在不锈钢与滚塑钢衬塑材料中，诱导应力高于其抗拉强度，所产生的安全系数小于1。