內壓容器的結構選型

  選擇合理的結構造型是獲得玻璃鋼高比強度的重要前提,金屬內壓容器有球形、筒形和環形。而筒形容器的頭部形狀一般是半球形,其次尚有扁橢球形等。玻璃鋼內壓容器究竟采用什么結構形狀較為合理,是一個值得討論的問題。
  1、內壓容器的結構形狀
  就金屬內壓容器而言,在具有同體積,承受相同內壓的球形、筒形和環形容器中,球形容器重量輕。它們之間的重量比大致為:
  球:筒:環=1:1.5:1.5
  這是因為球體上的應力是各個方向相等的,而金屬是各向同性材料,故能充分利用材料的
強度。但在纖維纏繞的玻璃鋼內壓容器中卻完全相反,它們之間的重量比大致為。
  球:筒:環=1.5:1:1
  這是由于玻璃纖維只具有單向強度,纖維纏繞玻璃鋼只是沿纖維方向強度很高,而與纖維垂直方向則強度極低,這樣就不能很好地滿足球形容器中雙向應力的要求。從而使兩個主應力方向的等強度設計較難實現。對筒形容器的圓筒部分而言,其環向應力為縱向應力的二倍,纖維纏繞結構,容易滿足它應力分布的要求,使結構達到等強度。另外筒形容器的成型工藝較環形容器簡單,易實現機械化操作。因此除某些特殊需要外,玻璃鋼內壓容器以筒形較為優越。在筒形容器中,其中筒長和直徑之比即長細比(l/d)在2-5范圍內較好。
  2、筒形容器的頭部外形及應力分布
  鋼質容器通常采用球形封頭,如前所述,這種封頭形式對纖維纏繞內壓容器而言,是不適宜的。國內生產的玻璃鋼內壓容器通常采用等張力曲線封頭和扁橢圓曲線封頭。
  ?。?)等張力曲線封頭
  其曲線方程如下:



 ?。?)扁橢圓曲線封頭
  曲線方程一般采用兩種即: 兩種曲線僅矢高不同。
  容器內襯直徑選定后,代入曲線方程,選取不同的x值即得相應的y值,然后逐點描跡即得相應的封頭曲線。
  幾種封頭曲線如下圖所示。


 ?。?)兩種類型封頭曲線比較及其應力分布
  以x=0.2時的封頭曲線為例說明兩種類型頭部曲線的應力分布。圖中的應力情況以應力系數表示。各點的應力大小等于應力系數x1/2RP,其中P為內壓, R為容器內徑。其應力系數值見表6-2及表6-3。


  理論上認為“等張力”封頭,使纖維受到相同的拉應力,能充分利用纖維的單向強度。從圖6-2的應力分布曲線看,等張力封頭應力分布較均衡。但由于在纏繞過程中,頭部厚度隨著半徑的減小而增加,在極孔附近逐漸堆積,使第二層纏繞時頭部外形曲線已完全改變,從而破壞了原纖維承受相同應力的理想狀態。另一方面,在工藝上要完全實現等張力曲線所要求的“測地線”纏繞也是困難的。故我們并不常采用。
  扁橢球曲線較等張力曲線應力分布均衡性差,變化較大。有不連續應力存在。但是這種封頭形狀能滿足纏繞工藝的要求。從我們所做的對比試驗結果(表6-4)來看扁橢球曲線和等張力曲線的頭部強度并無明顯差異,只要選擇適當的矢高,兩種曲線同樣適用于內壓容器,一般矢高為為宜。