新型两槽型钢带缠绕容器筒体承力性能仿真分析

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高压容器在现代工业中有着十分广泛的应用,包括了化工、石油到核电、航空等诸多领域。随工业技术的不断进步,高压容器工作条件越发苛刻,对容器设计、制造、使用和维护的要求也越来越高;其中容积、压力等工作参数的提高,造成设计的筒体壁厚很大,其重量十分庞大,制造难度显著增加。基于从高压容器安全性和制造经济性的角度考虑,围绕大壁厚高压筒体的制造技术,人们一直探索通过结构优化来设计出更合理的高压容器形式。其中钢带缠绕式压力容器因其受力合理,具有“只漏不爆”安全特性等得到了研究者长期关注及良好应用,该类型容器是以早期的德国型槽绕带容器以及上世纪六十年代出现的中国扁平绕带容器为代表。新型两槽型钢带缠绕容器吸取了现有绕带容器的优点并进行了合理改进,本论文在现有研究基础上针对新型型钢带缠绕容器的承力性能做了较详细的仿真研究和工程实例设计分析等,主要内容归结如下:首先,总结分析了新型两槽型钢带缠绕容器在结构组成、制造工艺、承力性能等方面与德国型槽绕带容器、扁平绕带式容器的各自特点及主要区别。完成对新型两槽型钢带缠绕容器承力性能的弹性理论分析。建立适用于该绕带筒体的力学分析模型和基本假设。按带层等效壁厚模型建立了筒体轴向应力计算及内筒与带层接触压力的计算方法;对内筒与钢带层的环向与径向应力则采用拉美公式作近似计算。根据弹塑性理论,结合Tresca和Mises屈服失效准则,通过平衡微分方程和边界条件推导了筒体的极限承载载荷计算,即钢带缠绕组合筒体的全屈服压力以及环向和轴向爆破压力的理论计算公式。另外,运用ANASYS有限元分析软件,将组合筒体简化为轴对称模型,全面地分析了这种新型钢带缠绕结构的受力特点,包括应力分析及极限承载能力分析等,比较了该钢带缠绕结构在不同内压与内径工况下应力分布情况,并验证了理论推导的合理性;在理论分析的基础上对该结构的破坏形式进行探讨,分析了影响其破坏形式的因素及优化方法;对该绕带筒体的钢带结构进行优化设计,并提出了改善建议;不同类型的新型钢带结构进行对比,全面比较了各种类型钢带结构的受力特点,并对今后针对该新型绕带结构的钢带选择提出了合理化建议。
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