液化气容器的瞬态应力分析及失效机理仿真

【摘要】： 随着石油工业的迅速发展，液化气在工业与民用领域得到了日益广泛的应用。但液化气是易燃易爆的物品，随着起用量不断增加，它在运输和贮存过程中发生的爆炸事故，对人类正常的生产和生活造成了严重威胁。为此，人们高度重视并积极开展了液化气事故的相关研究工作。其中，计算液化气容器在高温环境下的瞬态应力分布，预测含有裂纹的液化气压力容器在高温环境下是否进一步扩展，以及在此基础上开展液化气爆炸机理的研究，对于确保液化气的安全运输和贮存有着直接的指导作用。 本文针对高温环境下液化气压力容器的热响应特性问题，结合交通部重点科技项目“液化气体类危险品运输安全预警系统的研究”和湖北省自然科学基金项目“液化气容器爆炸机理研究及数值模拟”，对在火焰包围下的液化气压力容器的温度场分布、强度计算、裂纹扩展预测以及爆炸事故机理等方面开展了多学科的交叉研究。文章主要从三个方面进行了探讨。 首先，工件安全与否与其所受应力大小和其温度高低有很大关系，这对液化气压力容器也是适用的。为便于对液化气压力容器的安全状况进行判断，本文对液化气压力容器的瞬态温度场分布以及其瞬态应力分布分别进行了计算。在液化气容器的温度场分布计算中，本文首先建立了火焰包围下液化气容器的传热模型，然后根据传热学理论确定了液化气容器瞬态传热的边界条件，并结合PLGS99软件计算出了填充量为41％的球形液化气压力容器模型的换热边界条件，最后应用ANSYS计算了该模型的瞬态温度场分布，并进行了分析。在液化气容器的应力计算中，液化气加压容器的应力主要是由热应力和机械应力共同作用引起的。为了弄清这两种应力分别对总压力的影响的大小，首先单独对液化气压力容器仅受温度载荷时的瞬态当量热应力以及仅受内壁压力时的瞬态当量机械应力进行了计算分析，然后计算了液化气容器的当量总应力并对其进行了分析比较。 其次，液化气容器的失效过程通常分为裂纹形成和裂纹扩展两个阶段，本文在对无裂纹液化气容器的瞬态温度场和应力场进行了计算后，对含有初始表面裂纹的液化气容器的瞬态应力强度因子进行了计算和分析。 武汉理工大学硕士学位论文 — — 论文最后分析了高温环境下液化气容器爆炸的事故机理，即高温环境下液化 气容器爆炸的主要诱因为：1）阀门打开时的压力骤降；2）容器壁温度过高，导 致容器壁的材料强度降低；3）容器壁的温度不均匀引起的热应力。在常见的预 防保护措施之中，喷淋装置、热绝缘层保护简单易行，保护效果好。另外，对 减压阀的改进也有利于防止液化气贮罐爆炸。 【关键词】：液化气 压力容器 应力分析 有限元 失效 仿真
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TH49
【目录】：

• 第1章 引言10-19
• 1．1 课题背景10-12
• 1．2 国内外研究综述12-17
• 1．2．1 实验研究13-14
• 1．2．2 数值模拟研究14-16
• 1．2．3 事故机理的研究16-17
• 1．2．4 事故分析与防治17
• 1．3 本文工作17-19
• 第2章 液化气容器的瞬态传热分析19-42
• 2．1 液化气容器的计算模型19-22
• 2．1．1 模型的建立19-20
• 2．1．2 液化气容器边界条件的确定20-22
• 2．2 液化气容器的瞬态传热分析22-42
• 2．2．1 液化气容器的初始条件和边界条件的计算22-27
• 2．2．2 液化气容器热响应的ANSYS计算27-32
• 2．2．3 液化气容器热响应的ANSYS计算结果分析32-42
• 第3章 液化气容器的瞬态应力分析42-61
• 3．1 液化气容器的瞬态热应力分析42-49
• 3．1．1 瞬态热应力的计算42-43
• 3．1．2 瞬态热应力的结果分析43-49
• 3．2 液化气容器的瞬态机械应力分析49-51
• 3．3 液化气容器的瞬态总应力分析51-61
• 3．3．1 内外壁面不同角度处当量应力随时间的变化52
• 3．3．2 内外壁面不同时刻当量总应力随角度的变化52
• 3．3．3 最大总应力与最大总应力位置52-61
• 第4章 含孔平板和裂纹平板的应力分析61-76
• 4．1 圆孔板的孔边应力集中分析61-64
• 4．1．1 单向受力圆孔平板的应力分布61-64
• 4．1．2 双向受力圆孔平板的应力分布64
• 4．2 椭圆孔板的孔边应力集中分析64-67
• 4．2．1 计算模型64-66
• 4．2．2 结果及分析66-67
• 4．3 裂纹构件强度的计算理论和方法67-70
• 4．3．1 裂纹失效判据67-68
• 4．3．2 ANSYS在断裂力学上的应用68-70
• 4．4 平面中心裂纹尖端应力分析70-71
• 4．4．1 数学模型70-71
• 4．4．2 结果及分析71
• 4．5 孔边裂纹应力集中分析71-76
• 4．5．1 圆孔板孔边裂纹应力集中分析71-72
• 4．5．2 椭圆孔板的孔边裂纹应力强度因子分析72-76
• 第5章 含裂纹的液化气容器的瞬态应力分析76-87
• 5．1 含有内裂纹的液化气容器的有限元分析76-84
• 5．1．1 模型的建立76-78
• 5．1．2 计算结果及分析78-84
• 5．2 含有外裂纹的液化气容器的有限元分析84-87
• 第6章 液化气事故机理分析及预防87-92
• 6．1 高温环境下液化气容器的失效机理分析87-89
• 6．2 液化气容器的事故预防89-92
• 6．2．1 降低壁面温度89-90
• 6．2．2 降低压力90
• 6．2．3 对危险区实行重点保护90-92
• 第7章 结论与展望92-94
• 致谢94-95
• 参考文献95-98
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文98
• Ⅰ． 参加科研项目98
• Ⅱ． 发表的论文98

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