大直徑玻璃鋼塔器平封頭的優化設計

白英新，曲海飛

(昊華中意玻璃鋼有限公司，石家莊 050091)

大直徑玻璃鋼塔器平封頭的優化設計

白英新，曲海飛

(昊華中意玻璃鋼有限公司，石家莊 050091)

探索大直徑平封頭合適的計算方法。對平封頭結構進行優化設計：采用平板加筋結構。利用有限元分析軟件對其結構進行模擬計算，得出應力應變云圖，并對其校核。為大直徑平封頭的設計提供了一種方法。

平封頭；玻璃鋼塔器；炭法煙氣脫硫塔；有限元；優化設計

1 引 言

玻璃鋼以其優異的特性在航海、建筑、交通、環保、電子、化工、城市景觀等領域得到非常廣泛的應用，成為一種與國計民生休戚相關的功能性材料。玻璃鋼的發展，不但推動了國家材料工業的進步，縮短了我國與發達國家的差距，而且拉動了地方經濟的發展。

目前，昊華中意玻璃鋼有限公司制作的8臺直徑9m的新型炭法煙氣脫硫塔(圖1)。

圖1 直徑9 m的新型炭法煙氣脫硫塔

此塔為玻璃鋼平封頭塔器，平封頭與圓形、橢圓形、蝶形、錐形封頭相比，它的受力情況是最差的，但有時因場地條件對塔器的高度有限制，不能超過指定的高度，這時必須采用平封頭結構，如此大直徑的平封頭的設計方案需要優化。

2 大直徑玻璃鋼塔器平封頭的常規設計

根據HG/T20696-1999《玻璃鋼化工設備設計規定》的規定，圓形平封頭最小厚度t計算公式為：

(1)

其中：D—儲罐直徑；

K—安全系數，取決于平封頭和筒體的連接方式；

P—設計壓力,MPa;

[σ]—平封頭材料許用應力,MPa。

代入(1)計算厚度t=75 mm，由此得出的計算厚度值比較大，一方面產品的制造成本偏高，另一方面施工工藝也很難掌握。為了降低制造成本并保證強度，我們對平封頭進行了優化設計：采用平板加筋的形式。需要解決的問題是如何加筋、加筋的形式及數量需滿足使用要求。平板加筋的設計采用解析解計算偏差較大且很困難，而有限元軟件對模擬復合材料有很多優勢，因此我們利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對加筋的平封頭進行了模擬分析。

3 大直徑玻璃鋼塔器平封頭的優化設計

3.1 平封頭的三維建模

平封頭的幾何形狀見圖2，根據設計經驗平板厚度首先取20 mm，筋板厚(寬)度為10 mm，高度為100 mm進行模擬計算。筋板與平板雙側粘接牢固，筋板縱橫各6根均布，材質為玻璃鋼。平封頭與塔體按設計要求內外粘接并且交叉纏繞外包角。

圖2 平封頭幾何形狀圖

圖3為劃分網格圖，殼選用shell63單元和梁選用beam189單元進行網格劃分，在平封頭與塔體的連接處施加全約束，平封頭僅受自身的重力載荷，并且保證在100×100 mm的面積上施加1 110 N不允許有永久變形和裂紋。玻璃鋼平封頭材料特性取如下值：彈性模量：12 000 MPa，泊松比：0.3，密度按1.6 g/cm3計算，強度值取：140 MPa，強度安全系數取：10。

3.2 模擬結果

下面對平封頭的應力狀態進行分析，首先查看一下shell63單元和beam189單元組成平蓋總的Von- Mises應力應變水平，如圖4～5所示。

從圖4看出只有筋板處由于約束作用應力較大，σmax=13.725 MPa<〔σ〕=14 MPa，從圖5可以看出εmax=0.751‰<[ε]=1‰，所以滿足設計要求。

圖3 平封頭建模及加載圖

圖4 應力狀態水平

圖5 應變狀態水平

再分別查看shell 63單元和beam189單元應變水平，如圖6～7所示。

從圖6～7看出罐頂筋的應變水平比平板的應變水平高，對于平封頭來說筋主要抵抗由于重力產生的變形，但并不是筋本身的慣性矩越大越好，太大容易造成筋本身的應力集中，所以在對筋的截面尺寸選取時要綜合考慮，盡量使筋和平封頭共同承擔由重力及其它荷載產生的變形。

圖6 shell 63單元的應變云圖

圖7 beam189單元的應變云圖

4 結 語

以上優化設計降低了生產成本，提高了制作效率，利用有限元分析軟件對大直徑平封頭進行模擬計算，是一種快捷有效的計算方法，并且通過用戶的使用證明文中計算結果和實際情況基本吻合，滿足用戶的使用要求。

[1] 玻璃鋼化工設備設計規定HG/T20696-1999. 北京：全國化工工程建設標準編輯中心，1999：49-52.

[2] 余偉煒，高炳軍. ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2007：204-455.

[3] 李卓球，岳紅軍. 玻璃鋼管道與容器[M]. 北京：科學出版社，1990：382-494.

Design Optimization on the Flat Heads of Large FRP Towers

BAI Yingxin，QU Haifei

(Hao Hua Zhongyi GFRP Co.,Ltd, Shijiazhuang,Hebei Province 050091)

Exploring the calculation method on the large flat heads. Structural optimization of the flat heads by means of reinforcement ribs on the flat heads. Simulation calculation, strength & stress chart plotting and verification are carried out by means of finite element analysis software. A new method is provided for the design of large flats heads.

flat heads; FRP towers; activated carbon flue gas ; finite element; the optimization of design

2016-07-19)

白英新(1975-)，女，河北人，本科，工程師。研究方向：復合材料設備設計。E-mail：baiyingxin0@126.com.