1、玻璃鋼產品設計課程任務報告書項目三玻璃鋼貯罐設計復材141 第 13 組 項目負責人： 項目組成員： 起止時間 ：2016.3.21-2016.4.4 指導老師 ：楊 娟綿陽職業技術學院材料工程系 2014-2015 學年第 2學期玻璃鋼產品設計 課程任務書班級 復材141 部門（組） 第 13 組 任務 項目三 一、任務題目：任務一：設計任務為50t臥式貯罐，貯存質量分數為50%的硝酸，使用溫度為常溫。任務二：設計條件 貯罐直徑D=3.5m，高H=7m；罐頂為錐形頂蓋，錐體母線與水平面夾角=20 º；罐底為平底，直接安裝在基礎平面上，罐體內液體密度l=1.2t/m3。貯罐頂均勻雪荷

2、載p=400N/m2，風壓W=300N/m2，無地震。玻璃鋼材料的拉伸強度=140Mpa，安全系數K=10。二、任務內容和要求：（1）內容及要求：1. 通過查閱資料選擇貯罐各層所用的原材料；2. 分析已知條件，初步確定貯罐結構尺寸；3. 通過對貯罐受力分析，確定設計貯罐筒體壁厚；4. 確定封頭、支座壁厚，寬度等參數。（2）任務報告要求任務報告內容包括封面、任務書、正文、總結（收獲體會）、參考文獻。任務報告統一用A4紙打印，版面邊距上空2.5cm，下空2cm，左空2.5cm，右空2cm；正文用宋體小四號字；頁碼底端居中，小五號字；行間距：固定值19磅。（3）進度要求：任務下達日期： 2016 年

3、 3月 21 日任務完成日期： 2016 年 4 月 4 日（4）其它要求各組成員必須服從組長安排，積極配合、認真完成下達任務并按時提交任務報告。任務一：設計任務為50t臥式貯罐，貯存質量分數為50%的硝酸，使用溫度為常溫。一、選擇貯罐各層所用的原材料（1）內表層： 其功能是抵抗介質腐蝕，是防腐蝕結構的主要組成部分。其制造方法有兩種。一是用玻璃纖維表面氈、有機纖維表面氈或其他增強材料的富樹脂層，要求含膠量達到90%左右，其厚度為0.25mm0.5mm。二是采用熱塑性塑料，如聚氯乙烯或橡膠等內襯材料。（呋喃樹脂，中堿纖維）（2）次表層： 其含膠量比內表層低，約70%80%。通常采用短切纖維做成的

4、短切氈鋪成；其主要功能是防止介質滲漏。次表層通常至少含有1200g/的短切原絲氈。內表層和次表層因選用韌性好、沖擊強度搞高的耐腐蝕性樹脂。內表層和次表層的組合纖維含量應為（27±5）%，組合厚度不小于2.5mm。（3）結構層： 其是儲罐的主要結構，用來承受外載荷，由連續纖維纏繞成型或由纖維織物手糊成型，含膠量35%55%。玻璃鋼儲罐的結構設計主要是確定這一層的普曾方式和厚度。（4）外表層： 它是儲罐結構層的外保護層。主要功能是保護結構層免受外界機械損傷和外界環境條件引起的老化。同時也是對儲罐外表面的裝飾。其含膠量約為60%70%。外表層也可以用樹脂膩子修補后噴漆處理。二、結構設計1、

5、貯罐構造設計容積換算 濃度為質量分數50%的硝酸, 其密度為L=1.25t/m2 , 50t硝酸的體積為 V=50/1.25=40m3。貯罐構造尺寸確定 貯罐直徑取2.5m，則貯罐長度為L=V/(D/2)2=40/4.9=8.16m。初定貯罐結構尺寸為 : D=2.5m L=8m封頭形式確定 選用半橢球形封頭，H=0.6×(D/2)=0.75m.伸臂長度確定 根據規定A0.2L，即A=0.28=1.6m。支座及間距 選用鞍形支座，寬0.2m，包角120°。支座間距為:L-2A=8-3.2=4.8m2、貯罐荷載和設計簡圖貯罐構造，如圖所示荷載計算 單位長度荷載為 q=1.1R

6、2L=1.1×3.14×1.252×1.25=6.74t/m=67.4KN/m3、貯罐應力計算 按雙支座外伸梁計算貯罐受力。計算長度 L計=L+2×2/3H=8+2×2/3×0.75=9m貯罐承受荷載的彎矩及剪力如圖。受力計算 a支座反力 FA=FB=1/2q(L+4/3H) =67.4/2(8+4/3×0.75) =303.3kNb支座處剪力 當取支座內側截面時， Q內=FA-qA-2/3Qh=303.3-67.4×1.6-2/3×67.4×0.75=161.8kN當取支座外側截面時， Q外=

7、qA+2/3qH=67.4×1.6+2/3×67.4×0.75=141.5kNc支座和跨中彎矩 支座處彎矩計算 MA=-1/2q(A+2/3H)2=67.4/2×(1.6+2/3×0.75)2=-148.6kN ·m 跨中彎矩計算 Mm=1/2q(L+4/3H)2-1/2q(L+4/3H) ×(L/2-A) =67.4/2×(8+4/3×0.75)2-67.4/2×(8+4/3×0.75) ×(8/2-1.6) =2001.8kN·m4、由貯罐軸向應力計算壁厚 貯罐

8、貯罐軸向應力發生在跨中貯罐底部和支部處貯罐的頂部，計算結果取最大值。跨中貯罐底部軸向應力按公式=R2L/t+Mmax/R2tx纏繞聚酯玻璃鋼的軸向拉伸強度由材料力學第3章表3-13差得為85165MPa，取強度值160MPa。則x=160/K，K為載荷系數，試驗表明K=13.4。則x=11.9 MPa（119kg/cm2）, 由材料力學改變式（410）為求貯罐底部厚度，則 t=R2L/x+Mmax/R2x =1252×0.00125/119.420018000/3.14×1252×119.4 =3.69cm支座處貯罐頂部厚度Max=MA/R2t即t= MA/R2x

9、 t=1486000/3.14×1252×119=0.254cm5、按剪力計算支座處貯罐厚度 貯罐的最大剪力發生在支座底部，當支座處有加強圈時，按式（414）計算。 Max=QMax/Rt 即t= QMax/R聚酯玻璃鋼的剪切強度為8.9 MPa，取安全系數為8，則=1.11 MPa t=16180/3.14×125×11.1=3.7cm6、按環向應力計算貯罐厚度 貯罐環向應力的最大值，發生在支座處。設支座處的貯罐壁厚t=3.7cm，支座寬度Bo=20cm，則單元環的有效寬度B按式（420）計算。 B=B0+2(Rt)1/2/3(E0/EL)(1-0L)

10、1/4 纏繞聚酯玻璃鋼的環向和軸向彈性模量分別為2×10和1×104，其泊松比為0.3和0.15，代入上式，則單元環的有效寬度為： B=20+2×（125×3.7）1/2/3×2×104/1×104×(1-0.3×0.15)1/4 =20+2×21.5/1.55=47.7cm當=1200時，由表42查得=0.053。由表313差得纏繞玻璃鋼的環向拉伸強度為=300 MPa 彎曲強度為=150 MPa。按式（425）求得 =N/Bt+ M/R2t 即t= N/By+ M/R2m取安全系數K=8，則

11、y=300/8=37.5MPa, m=150/8=18.75MPa。t=0.34×3033/48×37.5+0.053×3033×125/3.14×1252×18.75 =0.57+0.04=0.61cm7、半橢球形封頭壁厚計算 按式（428）計算半橢球形封頭壁厚tPDM/2y=1.25×250×0.79/2×37.5=0.33cm式中y=300/8=37.5MPaM=1/62+（D/2H）2=1/62+（250/2×75）2=0.798、設計結果處理 由軸向應力計算貯罐中壁厚，t=36.9mm

12、;由支座剪力計算支座底部壁厚，t=37mm;按環向應力驗算支座處壁厚，t=6.1mm;封頭強度計算壁厚，t=3.3mm。綜上計算結果，考慮到纏繞成型的特點，確定：罐體、封頭及支座處壁厚均選用37mm;在支座處設加強圈，其寬度為50cm。任務二：設計條件 貯罐直徑D=3.5m，高H=7m；罐頂為錐形頂蓋，錐體母線與水平面夾角=20 º；罐底為平底，直接安裝在基礎平面上，罐體內液體密度l=1.2t/m3。貯罐頂均勻雪荷載p=400N/m2，風壓W=300N/m2，無地震。玻璃鋼材料的拉伸強度=140Mpa，安全系數K=10。一.各層材料設計（1） 內表層內表層也稱防腐防滲層，其作用是抵抗

13、介質腐蝕，此層的形成一般有兩種方法：一采用玻璃纖維表面氈，有機纖維表面氈或其他增強材料的富樹脂層，要求含膠量達到90%左右，其厚度約為0.5mm；另一種方法是采用熱塑性塑料如聚氯乙烯或橡膠等內襯材料。 設計為：樹脂基體：不飽和聚酯樹脂；增強材料：中堿玻璃纖維表面氈。（2） 次表層次表層也稱過渡層，其含膠量比內襯層低，約為70%80%。常由短切纖維制成。它具有一定的防腐防滲能力。在內表層局部出現裂紋時，次表層可對介質起一定的阻擋作用，以免承力的結構呈立即遭到損傷，從而提高貯罐使用的可靠性和壽命。這一層厚度一般在2mm左右，設計為：樹脂基體：不飽和聚酯樹脂；增強材料：中間短切纖維。（3） 結構層結

14、構層是貯罐的主要結構，用來承受外載荷，由連續纖維纏繞成型或由纖維織物手糊成型，含膠量為35%55%。玻璃鋼貯罐的結構設計主要是確定這一層的鋪層方式和厚度。設計為：樹脂基體：不飽和聚酯樹脂；增強材料：中間短切纖維。（4） 外表層它是貯罐結構的外保護層，其功能是保護結構免受外界的機構損傷和外界環境條件引起的老化，同時也是對貯罐外表層的裝飾。這一層的含膠量較高，大約為60%70%。外表層可用樹脂膩子修飾后噴漆處理，最后涂一層防老化劑，厚度約0.2mm，在包一層聚乙烯薄膜。2. 結構設計（1）貯罐壁厚計算 罐體沿高度分為7段，先計算罐下1m處壁厚 t=（P+lX）/RK （式2-1）式中 P荷載引起的

15、罐壁壓力。P=P雪R2/D=400x3.14x（3.5/2）2/3.14x3.5=35Kg/m=3.5N/cm （式2-2）t1=（0.35+0.0012x100）x175x10/1400=0.625cm依次求得t2=0.7375cmt3=0.8875cmt4=1.0375cmt5=1.225cmt6=1.3375cmt7=1.4875cm根據最小壁厚原則，對應計算結果，貯罐靠近頂部的壁厚取t1=10.0mm，靠近底部壁厚取t7=15.0mm。（2）貯罐頂蓋厚度設計錐形頂蓋根據強度公式 max=PD/2tsin （式2-3）得厚度計算公式為 tPD/2 sin （式2-4） =（188+400

16、+300）x3.5/2x140sin200=32.65mm(3)儲罐地板設計立式儲罐為平形底時，底部拐角半徑不小于38mm,底部增厚遞減與平底相切，壁增厚的長度與儲罐大徑的關系見圖3.1，拐角加強區的最小厚度為筒體和封頭的結構厚度之和。圖3.1 平行底儲罐拐角加強示意圖罐底為平板，直接安裝在平面基礎上的瀝青砂漿墊層上。儲罐內的液體可直接傳給混凝土基礎，因此，罐底所受的應力很小。但罐底和罐壁連接處受力十分復雜，一般都需要加強，因此，根據規定，地板厚度tbo取20mm,罐壁下部t=25mm時拐角處厚度tb=400mm,加強段L=600mm,過渡段M=200mm,底部拐角半徑取60mm。（4）層合板

17、鋪層設計儲罐地板為層壓板，對其進行鋪層設計。鋪層層數計算公式:n=A/mf(Kf+cKr) （式2-5）式中:n增強材料鋪層層數mf增強纖維單位面積質量；kg/m²kf增強材料的厚度常數；mm/(kg·m²)c樹脂與增強材料的質量比；A制品的厚度；mmKr樹脂基體的厚度常數。內表層層數:m(f)=35g/m² k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=0.5mm c=90/(100-90)=9層數為:n=0.5/0.305×（0.408+9×0.769）2層次表層層數:m(f)=400g/m² k(f)=0.408 k

18、(r)=0.769 A=2mm c=75/(100-75)3層數為:n=2.0/0.4（0.408+3×0.769）2層結構層層數:m(f)=340g/ k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=17mm c=50/（100-50）1層數為:n=17/0.34×（0.408+1×0.769）43層外表層層數:m(f)=250g/ k(f)=0.408 k(r)=0.769 A=0.5mm c=60/(100-60)=1.5層數為:n=0.5/0.25×（0.408+1.5×0.769）1層罐底板總層數:N=2+2+43+1=48層。(4)風荷作用下儲罐強度設計儲罐設計地區風壓W。300Pa,計算風壓為W=0.72×W。=0.72×300=216Pa （式2-6）儲罐沿高度方向承受的均布載荷為Pw=0.72W。D=0.72×300×3.5=756N/m (式2-7)由風壓引起的最大彎矩和剪力為Mmax