1CC罐式集装箱设计及框架应力分析计算_毕业设计(论文) .doc
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1、I 1CC 罐式集装箱设计及框架应力分析计算 摘 要: 罐式集装箱作为一种先进的运输工具,与传统的装载运输方式相比,具有安 全可靠、运输灵活、快捷方便、经济实用、绿色环保等方面的优势。罐式集装箱一般 用于装运液态或者气态散货。因为有足够的强度和刚度,罐箱可以长期反复使用。通 过收集和查阅了大量国内外储罐的相关资料,论证了罐式集装箱的运输方式及 C 型储 罐的筒体和封头形式,之后从设计压力、设计温度、设计载荷、罐体及封头厚度、选 用材料等多方面详细叙述了罐箱的设计方法及流程。并提出了罐箱安全附件的选用方 法,对人孔进行了开孔补强计算,接着对罐式集装箱支撑结构和强度进行了设计和计 算。可知在确定储
2、罐及支撑构件尺寸时,通过校核货罐的轴向应力、周向应力及剪切 应力设计出的结构存在高应力集中区域,还应校核船舶运动引起的动载荷状况,进一 步对结构进行优化。通过 SolidWorks 软件校核在各种工况下结构的应力水平,以确认 其是否符合有关要求。在框架底部四个支腿处加全约束,对 5 种工况分别进行校核计 算。若校核不通过,可以在对储罐结构加强的措施中,增加储罐板厚,改变支座位置 及在内壁上增设加强圈。经校核得出,罐体、框架及其连接构件的 Von Mises 合成应 力满足中国船级社编制的集装箱检验规范(2008)。 关键词:设计方法;高应力集中区域 II Abstract: Compared
3、with the traditional mode of transport, tank as an advanced means of transport is a safe, reliable, flexible, fast and convenient, economical, environmental protection transportation. Tank containers are generally used for shipping bulk liquid or gaseous. It can be long-term use because it has suffi
4、cient strength and stiffness. Collect a large number of domestic and international related information, I demonstrate the storage and transport means of liquefied gas carrier and cylindrical shell and head form of c- type liquefied tank, and describe the design methods and processes of tank in detai
5、l from design pressure and design temperature, design load, shell and head thickness, selection materials and so on. In this paper I propose how to select the safety accessories of the tank, and carry out the calculations of opening reinforcement, then design and compute the constructions and streng
6、th for tank container supporting frames. The results show that high stress region checking the axial stress, circumferential stress and shear stress in determining the size of tank structure and supporting components. Check the structure of the stress level under various conditions to confirm their
7、compliance with the requirements by SolidWorks software. Add constraints on the four legs at the bottom of the frame,and then calculate the 5 conditions respectively. If the check is not passed, there are three measures to enhance the structure including increasing the cargo tank thickness, changing
8、 the location of the support saddle, adding ring. Obtained by checking, the Von Mises stress of the tank, frame and connected component synthesis meet the China Classification Societys “Container Inspection Norms“ (2008). Key words:design approach; high stress region III IV 目 录 摘 要 .I AbstractII 1 引
9、言 .1 1.1 课题研究的意义 .1 1.2 罐式集装箱的特点 .1 1.3 罐式集装箱的设计 .2 2 设计总论 .3 2.1 设计任务 .3 2.2 设计特点 .3 2.3 设计数据 .3 2.3.1 设计压力 .3 2.3.2 设计温度 .4 2.4 材料的选择 .4 3 结构设计 .5 3.1 筒体的选择 .5 3.2 封头的选择 .5 3.3 筒体立式或卧式的选择 .5 3.4 角件的选择 .6 3.5 筒体及封头壁厚的计算 .6 3.5.1 筒体厚度的计算 .6 3.5.2 封头厚度的计算 .7 3.6 人孔的选择 .7 3.7 鞍座选型和结构设计 .8 3.7.1 鞍座的选型
10、.8 3.7.2 鞍座位置的确定 .8 3.8 接管、法兰的选择 .9 3.9 压力表的选择 .9 3.10 温度计的选择 .10 3.11 接地板和防波板的选择 .11 4 开孔补强设计 12 4.1 人孔补强 13 4.1.1 补强方法判别 13 4.1.2 有效补强范围 13 4.1.3 有效补强面积 14 4.1.4 补强圈设计 14 5 焊接和无损检测 15 5.1 焊接 15 5.2 无损检测 16 6 校核计算 17 V 6.1 液压试验应力校核 17 6.2 设计温度下圆筒的应力 17 6.3 圆筒轴向弯矩计算 17 6.3.1 圆筒中间截面上的轴向弯矩 17 6.3.2 支座
11、处横截面的轴向弯矩 18 6.4 圆筒轴向应力计算及校核 19 6.4.1 圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 19 6.4.2 由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核 19 6.4.3 圆筒轴向应力校核 19 6.5 切向剪应力的计算及校核 20 6.5.1 圆筒切向剪应力的计算 20 6.5.2 切向剪应力的校核 20 6.6 圆筒周向应力的计算和校核 20 6.6.1 在横截面最低点处的轴向应力 20 6.6.2 在鞍座边角处的轴向应力 21 6.6.3 周向应力校核 21 6.7 鞍座应力计算及校核 21 6.8 夏比 V 型缺口冲击试验 22 7 杆件的强度及刚度校核 2
12、3 7.1 横梁的校核 23 7.2 立柱的校核 24 7.3 底斜撑的校核 25 8 1CC 罐式集装箱应力分析及强度校核 28 8.1 概述 28 8.2 SolidWorks 分析原理 .28 8.2.1 几何尺寸 28 8.2.2 模型及网络 28 8.2.3 载荷及约束 29 8.3 实验项目的应力分析 29 8.4 最大工作负荷加惯性力作用下的应力分析 29 8.4.1 运动方向(纵向)两倍重力加速度时的应力强度计算与校核 29 8.4.2 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 31 8.4.3 垂直向上一倍重力加速度时应力强度计算与校核 32 8.4.4 垂
13、直向下二倍重力加速度时应力强度计算与校核 33 8.5 应力分析结论 34 9 结论 36 参 考 文 献 .37 致谢 38 常州大学本科生毕业设计(论文) 第 1 页 共 38 页 1 引言 1.1 课题研究的意义 罐式集装箱是低温绝热压力容器的一种。随着国际化工物流的快速发展,罐式集装箱 被广泛地应用在各种化工液体物资运输与储存中。使用罐箱可使散装物料的运输仓储和分 拨享受到经济、便捷、环保、安全等诸多好处,与传统的铁桶包装、散装船和铁路槽车相 比,它真正实现了装箱地到卸料地的无中间环节的直达,无货物的跑冒滴漏,因此使污染 和货物的物流消耗及漏损降低到最低。归纳起来,罐箱作为一种先进的运
14、输工具,与传统 的装载运输方式相比,具有安全可靠、运输灵活、快捷方便、经济实用、绿色环保等方面 的优势。当务之急是降低罐式集装箱的整体费用,同时提高集装箱船只的容量,保持罐式 集装箱对液体化学品的竞争力,推动形成完整的罐式集装箱物流链 1。 随着经济的发展,工业的进步,压力容器已经广泛应用于炼油、化工等工业部门及日 常生活中。在炼化行业中,越来越多的新型、高效节能的设备得到应用,许多装置对压力 容器的要求非常高,其操作介质多为高温(或低温)、高压、易燃、易爆、有毒、强腐蚀等, 具有相当大的危险性。随着世界各国对海洋资源的开发,为了适应海洋气候、恶劣环境以 及石油加工深度不断增加、操作条件越来越
15、苛刻,对压力容器的要求也越来越高、越来越 严。世界能源危机的出现和军事装备的竞争、核能的开发应用对压力容器提出新的要求 2。 1.2 罐式集装箱的特点 罐式集装箱具有安全、环保、经济、灵活、高效等特点,是实现液体化学品“门到门” 运输及多式联运的有效工具和载体。罐式集装箱从欧美发达国家进入我国尚不足10 年, 但已在化工物流领域获得广泛应用。当前,我国经济发展已进入经济学家所称的“各国经 济发展中不可逾越的化工产业时代”。当前,我国经济发展已进入经济学家所称的“各国经济发 展中不可逾越的化工产业时代” 。近年来,随着国内外各种大型石化集团的合资与合作,我国石化产业 持续高增长态势,特别是精细化
16、工产业,已逐渐占据传统化工产业的突出位置,迫切需要新的运输载 体和先进的物流方式。罐式集装箱凭借自身的特点和优势脱颖而出,具有良好的发展前景。 以罐式集装箱为载体的化学品国际多式联运的主要环节为,从提货地装罐后陆运至港 口,驳上集装箱船,达到目的港再卸船后陆运至目的交付地,实现门对门对接。这种利用 罐式集装箱运转的模式已相对成熟,受到众多国外化学品巨头的欢迎。所以罐式集装箱将 成为未来国际多式联运的主要方式 3。 罐式集装箱作为一种国际标准集装箱外部框架的不锈钢容器,整箱外型尺寸及堆存运 输方式完全等同于20Ft(6.096m)国际标准集装箱,称之为罐式集装箱。它的组成有:框架、 罐体、附件三
17、大部分。其中,框架包括:整体框架、爬梯、人行走道;罐体包括:罐胆、 加热盘管、保温棉、保温皮;附件包括:底阀及远控切断装置、卸料蝶阀或球阀、进气阀、 安全阀、顶部卸料阀、压力表、温度表、电加热装置、人孔盖板、盲板及罐体标示等 4。 常州大学本科生毕业设计(论文) 第 2 页 共 38 页 1.3 罐式集装箱的设计 压力容器设计是综合性很强的专业,要求设计者通晓国家法令,设计标准,规范以及 设计方法,同时,还必须对压力容器选用的材料性能等有较为详细的了解,对压力容器的 使用范围、环境等有清楚的认识,甚至还应具备丰富的设计、制造、使用和维护等方便的 经验。因此,不论是国家法令,设计标准、规范的变更
18、,还是新材料的使用,制造水平的 提高等,都能引起设计方法的进步和发展。 罐式集装箱设计的前提是罐体和罐体上的开口满足 GB150- 89钢制压力容器 5中 国船级社集装箱检验规范 6的规定,据此强度计算中对模型进行简化时,忽略罐体上 各种开口的存在,从而既没有影响计算结果的准确性,又大大简化了建模工作量,其中罐 体、鞍座和罐体与框架之间的连接板用板壳元来模拟,角柱、顶纵梁、底纵梁、端横梁和 斜撑等框架构件用空间梁元来模拟,一般不再设置其它单元。 为充分利用运力资源,节约物流成本,提供运输市场受欢迎的罐箱,就需要在最大的 车辆总重前提下充分利用铁路、公路宽度和高度限界。因此,中国陆路运输20 英
19、 尺罐箱外型尺寸的最大值为6 058mm 2 500 mm 2 900 mm(长度宽度高度)。本 次设计尺寸为6058mm2438mm2591mm 7。 用于海上运输的罐式集装箱罐体的强度可按ASME-VIII-1 和GB150-1998钢制压力容 器进行设计计算,但罐式集装箱设计时,还应考虑承受运输工况中所出现的惯性力:如 在海洋船舶运输条件下,在码垛出现偏码时所产生的力;船舶航行时对罐式集装箱产生横 向、纵向推拉时的承载能力。设计时还应考虑罐式集装箱起吊作业时加速作用下所产生的 各种力。而这些力作用在罐体和集装箱框架上所产生的应力,用解析计算方法是无法分析 的。因此海上罐式集装箱设计应使用
20、有限元分析法进行计算,中国船级社武汉规范所选用 MSC.Nastran 通用的有限元程序对罐式集装箱的结构进行强度计算分析。罐体及框架的 Von Mises合成应力应满足国际海运危险货物运输规则 8及相关标准规范的规定。建 模的原则是罐箱的框架构件用空间梁元离散,罐体和罐体与框架的连接部分用板壳元离散。 支架的受力分析:建立力学模型,计算支架受到静载和动载时的受力稳定性。 堆码分析的原则是在动静载荷分析的基础上进行,考虑到金属用料的质量,因受运输 质量的限制,集装箱本体加物料质量以不超过30t 为宜。堆码计算受力不均匀系数取为1. 39。 框架结构,罐式集装箱要承受运输过程中的惯性力,还要承受
21、吊卸过程中重力作用,因此框架 结构的安全与否至关重要。通常罐式集装箱框架结构为带底部鞍座的框架结构,这种结构比较成熟, 安全性高,但框架材料质量大。 常州大学本科生毕业设计(论文) 第 3 页 共 38 页 2 设计总论 2.1 设计任务 设计罐式集装箱,采用常规设计方法,综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相 关标准,按设备结构设计、设备强度计算的设计顺序,分别对储罐的筒体、封头、鞍座、 人孔、接管进行设计,然后采用SolidWorks对其进行强度校核,最后形成合理的设计方案。 绘制总装配图和零件图,并编写设计说明书。 综合运用所学过程装备知识,本着认真负责的态度,对储罐进行设计。在设计过
22、程中 综合考虑了经济性,实用性,安全可靠性。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国 家标准,这样让设计有章可循,并考虑到结构方面的要求,合理地进行设计。 2.2 设计特点 容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设 备通用零部件大都有标准,设计时可直接选用。本设计书主要介绍了储罐的的筒体、封头 的设计计算,通用零部件的选用。且各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准, 这样让设计有章可循,并考虑到结构方面的要求,合理地进行设计。 2.3 设计数据 1CC 罐式集装箱的主要设计参数见表 2.1: 2.3.1 设计压力 设 计 压 力 不 能 低 于 工 作
23、 的 压 力 , 装 有 安 全 泄 放 装 置 时 , 不 得 低 于 爆 破 片 的 爆 破 压 力 或 安 全 阀 的 开 启 压 力 。 计 算 压 力 主 要 是 针 对 于 容 器 的 各 个 受 压 元 件 , 仅 用 于 确 定 容 器 稳 定 、 刚 度 要 求 的 厚 度 和 各 个 受 压 元 件 满 足 强 度 。 容 器 的 各 个 受 压 元 件 的 计 算 压 力 是 根 据 容 器 各 个 腔 体 的 设 计 压 力 加 液 柱 静 压 力 对 它 单 独 和 共 同 作 用 的 情 况 确 定 的 。 根据 GB150-1998 中,设计压力为压力容器的设计载
24、荷条件之一,其值不得低于最高 工作压力,通常可取最高工作压力的 1.051.1 倍。设计压力 。3.48aPM 表 2.1 1CC 罐式集装箱的 设计参数 型 号 GX22R32C 罐体 材料 16MnDR 外部尺寸(mm)(LW H) 605824382591 立柱 材料 Q345B 最大运营质量 36000kg 工作 温度 -40oC-55 oC 设计压力 3.48Mpa 腐蚀 余量 1.0mm 常州大学本科生毕业设计(论文) 第 4 页 共 38 页 2.3.2 设计温度 设计温度也是压力容器的设计载荷条件之一,指容器在正常工作情况下,设定元件的 金属温度。G B150 规 定 设 计
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