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液化气球罐力学响应的有限元分析

发布于:2017-07-13 21:13
有限元分析

      液化气(LPG)在工业与民用方面已得到日益广泛使用,由于其具有易燃易爆等特性,在贮运过程中存在着因泄漏而引起火灾或爆炸的危险性。液化气在贮存时多数使用低合金高强度钢球罐,贮存方式大多为常温压力贮存。,需要对钢球罐进行有限元分析校核。
      在火灾引发的高温环境中,液化气贮罐所表现的热响应行为是罐内介质温度和压力上升,特别是蒸汽区,由于蒸汽的比热容远小于液相的比热容,使蒸汽的温度上升很快,相应的罐内压力也迅速上升。如蒸汽压力超过安全阀设定的压力,使得罐内压力快速下降,从而引起液相在壁面附近沸腾,会导致沸腾液体膨胀蒸汽爆炸。不过,火灾环境中液化气贮罐热响应的同时还伴随着贮罐本身的力学响应,涉及到温度和压力作用下贮罐中应力的变化,会由于强度不够而导致贮罐开裂,这方面的研究工作未见相关报道。
      研究基于压力容器安全的考虑,根据火灾环境下液化气球罐的瞬态热响应的有限元分析结果,采用ANSYS的热-结构耦合有限元分析方法,研究火灾中环境温度和相应的压力作用下球罐的应力分布。根据应力分类方法,进行强度计算,评价高温环境下液化气球罐的安全性。
      为了研究液化气球罐在火灾环境下应力状态以及强度,针对罐体材料随温度变化而带来的力学性能的变化,进行高温拉伸试验,研究材料应力一应变曲线以及屈服强度6s和抗拉强度6g随温度变化的规律。
      试验用材料为16MnR,试验在装有高温炉的岛津材料试验机上进行。试验方法按GB/T4338-1995进行。测量得到的16MnR在350 ℃,400℃和450℃的应力-应变曲线见图,相应的屈服强度6s和抗拉强度6h值列于表。根据文献所给出的16MnR在不同温度下屈服强度6s和抗拉强度6h值,绘制出其强度指标随时间变化的曲线。由图可知,随温度升高,屈服强度6s逐步降低,特别是250℃以上有明显的下降,而6h在200 ~300℃之间出现峰值,这是时效硬化的结果。液化气球罐在火灾环境中,其罐体由于压力变化和不同的温度分布而产生不同的应力状态,发生热弹塑性变形。由于局部的部位存在应力集中,常常在未达到爆破压力之前,造成应力强度不够,使得球罐开裂,引发后续的火灾爆炸。   
      本研究采用热-结构藕合的有限元分析方法,综合考虑温度、压力以及材料性能的变化,对火灾环境中液化气球罐的应力状况进行研究。热-结构耦合分析是在液化气球罐热响应行为的基础上,将计算得到的罐体温度转化为单元节点上的温度,再作为一种体载荷与压力共同作用。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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