摘 要

玻璃钢贮罐具有抗腐蚀，高强度，质量轻，寿命长等特点，广泛应用于各行业中。

GB/T51160-2016《纤维增强塑料设备和管道工程技术规范》填补了在纤维增强塑料设备和管道工程技术方面的国家标准空白，结束了企业为承接国外工程所需技术谈判中遇到的无中国标准可依而不得不采用国外标准的历史。

本文以DN5000容积100方的玻璃钢立式贮罐为例，依据GB/T51160-2016对其进行铺层结构设计及不同工况下的结构验算。为评判该国标的先进性、安全性与经济性，利用ANSYS商业有限元软件建立了该贮罐的有限元模型，进行了不同工况下的强度、刚度与稳定性计算。

研究结果表明：新国标GB/T51160-2016从纤维增强塑料单层板的基本力学性能出发，依据层合板理论，可采用铺层计算法和铺层实测法对层合板的力学性能进行设计和验证，并通过控制层合板的许用应变值来确保设计安全性，充分体现了作为复合材料的纤维增强塑料具有可设计性特点，具有较强的技术适用性、系统性、和操作性。但对于外压稳定性问题，考虑过于保守，有待研究，使计算更精确。

关键词：立式玻璃钢贮罐；新国标；有限元分析

Abstract

FRP storage tank is widely used in various industries because of its corrosion resistance, high strength, light weight and long life.

The GB/T51160-2016 Technical Specification for Fiber reinforced Plastics equipment and Pipeline Engineering fills in the gaps in national standards in fiber reinforced plastics equipment and piping engineering technology. It ends the history of enterprises having to adopt foreign standards in order to meet no Chinese standards in order to undertake the technical negotiation required by foreign projects.

This paper takes the DN5000 volume 100square FRP vertical storage tank as an example, carries on the layer structure design and the structure checking calculation under the different working condition according to the GB/T51160-2016.In order to judge the advanced nature, safety and economy of the national standard, the finite element model of the storage tank is established by using ANSYS commercial finite element software, and the strength, stiffness and stability are calculated under different working conditions.

The results show that the new national standard GB/T51160-2016 can be used to design and verify the mechanical properties of fiber reinforced plastic monolayers according to the theory of laminates. The design safety is ensured by controlling the allowable strain value of laminates, which fully shows that the fiber reinforced plastics as composite materials have the characteristics of designability, strong technical applicability, systematicness and maneuverability. However, the stability of external pressure is too conservative to be studied to make the calculation more accurate.

Key Words：FRP; Vertical tank; New national standard; finite element analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 1

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2选题的意义 1

1.3课题研究的内容 2

1.3.1研究基本内容和目标 2

1.3.2 拟采用的技术方案与措施 3

第2章 立式玻璃钢贮罐的设计及规范验算 4

2.1主要理论依据 4

2.2 结构设计 4

2.2.1 设计思路 4

2.2.2 一般规定 5

2.2.3 材料设计 5

2.2.4 铺层设计 6

2.3 结构计算 7

2.3.1 层合板力学性能 7

2.3.2 设计安全系数 10

2.3.3 贮罐层合板许用应变和许用单元载荷 11

2.4 结构验算 14

2.4.1 贮罐基础参数 14

2.4.2 载荷和组合 14

2.4.3 工况下的验算 17

2.5 本章小结 26

第3章 立式玻璃钢贮罐的有限元分析 27

3.1 立式玻璃钢贮罐有限元分析 27

3.1.1 建立立式玻璃钢贮罐实体模型 27

3.1.2 单元类型 28

3.1.3 材料属性 28

3.1.4 网格划分 29

3.1.5 约束情况 29

3.1.6 立式玻璃钢贮罐不同工况下有限元分析结果 30

3.2 本章小结 35

第4章 关于贮罐规范计算和有限元分析结果对比分析 36

第5章 结论与展望 40

5.1 结论 40

5.2 展望 41

参考文献 42

致谢 43

第1章 绪论

1.1课题研究的背景

与传统的金属、钢筋混凝土材料相比，复合材料在很多方面都有比传统材料更突出的性能，如比强度高，比模量高，节省能源，材料的可设计性，良好的耐高温腐蚀性能等。特别是复合材料的可设计性，设计人员可以根据需要，选择基体和加强材料，通过改变纤维含量，铺设方式，铺设顺序等自行设计，从而给优化设计带来极大的优越性。从1958 年我国复合材料工业的诞生到“十五”计划复合材料工业的快速发展再到现在，我国已经形成了较为完善的复合材料工业体系。复合材料的应用领域也不断的扩大，由最初的军用迅速扩展到民用，涉及交通运输、节能环保、能源、化工等多方面的领域。复合材料已成为新材料领域的先导材料^[1]。

玻璃钢是以玻璃纤维或其制品为增强材料，以树脂为基体，采用一定工艺制作而成的复合材料，具有轻质高强、耐腐蚀等显著特性，在各行业中得到了广泛应用^[2]。现今立式贮罐所采用的复合材料大多为玻璃钢，质量轻强度高，性能稳定，耐腐蚀。玻璃钢贮罐结构由内衬层、结构层、外表层组成，每一层都可以根据需要加入不同物质来改善材料性能，对比于传统的钢筋混凝土，金属材料，玻璃钢贮罐既有良好的耐介质腐蚀性，又具有足够的强度刚度满足盛装要求。由于玻璃钢贮罐的多种优良特点，高强度、高韧性、轻质、抗老化、抗腐蚀等，玻璃钢贮罐将取代传统材料贮罐将会是必然的趋势。

自1987年中国引进贮罐、管道缠绕生产线至今，玻璃钢贮罐、容器得到了快速发展，目前国内生产纤维缠绕玻璃钢管罐的工艺及产品种类较为齐全,研制与生产的玻璃钢管、罐生产设备，部分已超过从国外引进同类设备的技术水平。同时中国生产玻璃钢管、罐所用的各种原材料国内均能生产自给。近几年来相继出口俄罗斯、土库曼、哈萨克斯坦、越南、巴基斯坦、马来西亚等国，创汇3000多万美元。同时，国产缠绕设备也出口到韩国、菲律宾、泰国、丹麦等地。“十一五”期间，缠绕管、罐的产量由28万吨增加至70万吨（其中，贮罐15万吨，管道10万吨，夹砂管道45万吨），创造产值从56×104万元增加至14×105万元，增长近150%。中国无论从纤维缠绕玻璃钢管罐生产线的数量、生产能力和产量，以及技术水平，都处于世界先进水平。

1.2选题的意义

相对于纤维增强塑料设备的快速发展，相关的标准编写工作明显不足，目前国内现行的涉及玻璃钢贮罐与容器的标准主要有以下三本：《纤维缠绕增强塑料储罐》JC/T587-1995（产品标准）、《玻璃钢化工设备设计规定》HG/T 20696-1999、《耐化学腐蚀现场缠绕大型玻璃钢容器》HG/T3983-2007（产品标准）。

目前执行的立式贮罐行业标准为JC/T587-1995《纤维缠绕增强塑料贮罐》，是1995 年发布实施的，只是一个产品标准，不涉及到设计计算部分。标准规定的原材料仅限定于当时条件下能得到方格布、纱和仅有的几个牌号的树脂，与国际标准没有接轨。经过近二十年的发展，中国的玻璃纤维工业、树脂工业有了长足的发展。目前，中国玻璃纤维工业、树脂工业，以及纤维缠绕玻璃钢贮罐的制造水平几乎与国际先进水平同步（而标准却大大落后于行业发展）。

国内目前已有的《玻璃钢化工设备设计规定》（HG/T 20696-1999），该规范在发布后，虽说在一段时间内为玻璃钢行业的发展起到了指导作用，但随着原材料不断更新，性能不断提高，制造工艺日趋完善、制造设备更新换代，设计理论也有了长足的进步，原有的规定很多已过时，而且其中存在一些缺陷和错误；如在4.14节立式储罐设计中和罐壁的许用临界压力计算公式中没有玻璃钢的的材料模量E，而玻璃钢材料的弹性模量各个方向差异很大，用此公式根本无法计算。在4.6节外压圆筒和球壳设计中给出了外压计算图表，而表中玻璃钢的轴向弹性模数范围是49~84Mpa，而实际检测的玻璃钢罐体的轴向弹性模数为7~15Gpa，用户很难按标准进行设计。

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