无水HF罐式集装箱结构强度分析报告

1无水HF罐式集装箱结构强度分析报告编写：岑鹏校核：杨秀杰审核：钱才富北京化工大学机电工程学院2007年9月2目录1概述-------------------------------------------------------------32有限元模型的建立-------------------------------------------------32.1有限元模型---------------------------------------------------3-42.2载荷和约束---------------------------------------------------52.3有限元计算软件-------------------------------------------------53惯性力作用下的有限元分析与强度校核-------------------------------53.1强度校核的依据-----------------------------------------------5-63.2材料的设计应力强度---------------------------------------------63.3强度校核----------------------------------------------------7-10应力强度分布云图------------------------------------------------10-2031概述本分析报告旨在确定无水HF罐式集装箱在常温环境下考虑动态惯性力影响后结构的应力水平，以确认其是否符合《国际海运危险货物规则》（IMDGCODE）的有关要求。1.无水HF罐式集装箱的主要技术参数如下：型号RHJHF-03筒体壁厚10mm外部尺寸(L´W´H)6058´2438´2591封头壁厚12mm箱体质量6100kg罐体材料16MnDR最大装载质量22800kg设计压力0.5Mpa最大总质量28900kg工作温度-40oC~+50oC充装介质无水HF腐蚀余量1mm2.本分析报告的主要依据是：u《国际海运危险货物规则》（IMDGCODE）；u无水HF罐式集装箱图纸和技术资料；uJB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》。3.本分析报告的计算内容包括：在常温及低温环境下装满货物的集装箱承受如下惯性力的作用：u在运动方向（纵向）：额定质量的两倍重力加速度2mg；u在与运动方向成直角的水平方向：额定质量的一倍重力加速度mg；u垂直向上：额定质量的一倍重力加速度mg；u垂直向下：额定质量的两倍重力加速度2mgu冲撞，运动方向（纵向）：额定质量的四倍重力加速度4mg。JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》是一种压力容器设计规范,它是基于详细的应力计算和应力分类,并采用更为合理的许用应力值。本文采用有限元法对无水HF罐式集装箱进行应力分析，并依据JB4732-95《钢制压力容器— 分析设计标准》进行强度校核。2有限元模型的建立2.1有限元模型及网格（1）无水HF罐式集装箱框架，具体尺寸按照图纸选取。（2）罐体筒体内径2154mm，壁厚10mm，总长5737mm。椭圆形封头，壁厚12mm。在本分析中，由于结构均具有薄壳几何特征，因此采用单元类型shell63建模、网格划分和应力分析。总体有限元模型如图1所示，框架有限元模型如图2所示。以上结构的具体几何尺寸见图纸。4图1无水HF罐式集装箱整体结构有限元模型图2集装箱框架有限元模型52.2载荷和约束载荷：内压：采用设计压力0.5MPa。惯性力载荷：（1）运动方向（纵向）：额定质量的两倍重力加速度2mg；（2）同运动方向成直角的水平方向：额定质量的一倍重力加速度mg；（3）垂直向上：额定质量的一倍重力加速度mg；（4）垂直向下：额定质量的两倍重力加速度2mg（5）冲撞，运动方向（纵向）：额定质量的四倍重力加速度4mg筒体等效密度：按等效密度法考虑介质质量对结构惯性力计算的影响。根据图纸：罐体质量3885Kg，罐体密度 3 1 7850Kgmr=,最大装载质量22800Kg，则等效密度 3 2 388522800 785053920 3885 Kgmr+== g 。约束条件：按照图纸设计;在框架底部四个支腿处加全约束。2.3有限元计算软件本分析采用目前在国际上应用极为广泛的商用有限元计算软件——ANSYS软件。1995年10月，该软件已通过全国压力容器标准化技术委员会的测试，并被认可为压力容器分析设计标准（JB4732-95）相适应的有限元分析软件，用于压力容器分析设计。3惯性力作用下的有限元分析与强度校核3.1强度校核的依据按照JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》的规定，强度校核采用最大剪应力理论，应力强度规定为最大剪应力的二倍，即{} S S S S= max , , 12 23 31 式中，S 12 1 2=-ss，S 23 2 3=-ss，S 31 3 1=-ss;S──应力强度;s 1 、s 2 、s 3 ──主应力。一次总体薄膜应力强度S I 应不超过设计应力强度值 m kS ，即： m I kS S£6一次局部薄膜应力强度S II 许用值为1.5 m kS ，即： m II kS S 5 . 1£一次局部薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度S III 的许用值为1.5 m kS ，即： m III kS S 5 . 1£一次局部薄膜应力加一次弯曲应力以及二次应力的应力强度 IV S 的许用值为3 m kS ，即： m IV kS S 3£一次局部应力加二次应力以及峰值应力的应力强度S V 的许用值为 a S ，即： S S V a£式中k为载荷组合系数，对于本分析，k=1； m S 为材料在设计温度下的设计应力强度；S a 为材料在一定循环次数下的疲劳许用应力强度值。为求取 V I S S ~ ，应根据构件结构、载荷形式和有限元计算结果，选取较危险的应力点读取结果。最后根据上述规定进行强度校核（见表1—5）。3.2材料的设计应力强度罐体与裙座的材料为16MnDR，工作温度为-40-55℃，在常温下的屈服强度 ss=315Mpa，在该温度范围下材料的设计应力强度为188Mpa。框架的材料是Q345-D，在常温下材料的屈服点为 ss=345Mpa,抗拉强度为 bs=470MPa。其设计应力强度值取（ 1.5 ss和 2.6 bs中的较小值）181MPa。横梁及鞍座的材料是Q235-B，在常温下材料的屈服点为 ss=235Mpa,抗拉强度为 bs=375MPa。其设计应力强度值取（ 1.5 ss和 2.6 bs中的较小值）144MPa。3.3强度校核装满货物的集装箱承受惯性力时的应力计算五种工况校核结果分别列入表1—5。7表1运动方向（纵向）两倍重力加速度时应力强度计算与校核(依据JB4732-95)校核位置应力强度类型数值(MPa)许用值(MPa)校核结果 II S 184282满足人孔开孔处 IV S 257564满足 I S 63.1188满足封头中间处 III S 87.1282满足 II S 123282满足封头与筒体连接处 IV S 172564满足 I S 63.1188满足筒体中间处 III S 87.1282满足 II S 43282满足筒体与上拉杆连接处 IV S 87.1564满足 II S 43282满足筒体与鞍体连接处 IV S 172564满足 I S 16.4181满足框架整体 III S 40.8271.5满足 II S 148271.5满足框架局部 IV S 173543满足 I S 32.8144满足横梁整体（包括鞍座） III S 61.2216满足 II S 116216满足横梁局部（包括鞍座） IV S 184432满足表2与运动方向垂直的水平方向一倍重力加速度时应力强度计算与校核校核位置应力强度类型数值(MPa)许用值(MPa)校核结果 II S 183282满足人孔开孔处 IV S 254564满足 I S 62.6188满足封头中间处 III S 85.3282满足 II S 123282满足封头与筒体连接处 IV S 170564满足 I S 62.6188满足筒体中间处 III S 85.3282满足 II S 42.5282满足筒体与上拉杆连接处 IV S 141564满足 II S 42.5282满足筒体与鞍体连接处 IV S 170564满足8 I S 59.8181满足框架整体 III S 84.8271.5满足 II S 269271.5满足框架局部 IV S 382543满足 I S 29.9144满足横梁整体（包括鞍座） III S 42.4216满足 II S 211216满足横梁局部（包括鞍座） IV S 261432满足表3垂直向上一倍重力加速度时应力强度计算与校核校核位置应力强度类型数值(MPa)许用值(MPa)校核结果 II S 177282满足人孔开孔处 IV S 242564满足 I S 79.9188满足封头中间处 III S 81282满足 II S 119282满足封头与筒体连接处 IV S 161564满足 I S 79.9188满足筒体中间处 III S 81282满足 II S 41.2282满足筒体与上拉杆连接处 IV S 135564满足 II S 41.2282满足筒体与鞍体连接处 IV S 54.2564满足 I S 17.8181满足框架整体 III S 33.6271.5满足 II S 79.9271.5满足框架局部 IV S 303543满足 I S 17.8144满足横梁整体（包括鞍座） III S 33.6216满足 II S 60.2216满足横梁局部（包括鞍座） IV S 75.4432满足表4垂直向下二倍重力加速度时应力强度计算与校核校核位置应力强度类型数值(MPa)许用值(MPa)校核结果 II S 196282满足人孔开孔处 IV S 272564满足9 I S 66188满足封头中间处 III S 68.9282满足 II S 131282满足封头与筒体连接处 IV S 171564满足 I S 66188满足筒体中间处 III S 103282满足 II S 87282满足筒体与上拉杆连接处 IV S 137564满足 II S 44282满足筒体与鞍体连接处 IV S 306564满足 I S 29.5181满足框架整体 III S 51.7271.5满足 II S 250271.5满足框架局部 IV S 465543满足 I S 88.5144满足横梁整体（包括鞍座） III S 103216满足 II S 206216满足横梁局部（包括鞍座） IV S 304432满足 II S 261216不满足鞍座支撑件 IV S 304432满足注：鞍座支撑件处一次局部薄膜应力 II S 不满足条件，建议将材料改为Q345，则设计应力强度为181Mpa， II S =261MPa1.5*181=271.5MPa，此时校核通过。（该处应力分布见图19）表5冲撞，运动方向（纵向）四倍重力加速度时应力强度计算与校核校核位置应力强度类型数值(MPa)许用值(MPa)校核结果 II S 184282满足人孔开孔处 IV S 274564满足 I S 83.4188满足封头中间处 III S 93.3282满足 II S 124282满足封头与筒体连接处 IV S 184564满足 I S 63.2188满足筒体中间处 III S 93.3282满足 II S 43282满足筒体与上拉杆连接处 IV S 93.3564满足筒体与鞍体连接处 II S 83.4282满足10 IV S 274564满足 I S 24.3181满足框架整体 III S 47.4271.5满足 II S 219271.5满足框架局部 IV S 220543满足 I S 7