摘 要

玻璃钢双壁储罐是玻璃钢制品中的一种，是运用玻璃纤维作为增强剂、树脂作为粘合剂并通过缠绕工艺制造而成的，具有轻质高强、耐腐蚀性能好、电性能好、热性能良好、可设计性好和工艺性优良的特点，被广泛应用于石油化工、建筑、机械等各个方面的领域，正在逐渐替代碳钢、不锈钢等大部分市场领域。本论文主要针对卧式玻璃钢双壁储罐展开了研究，对卧式玻璃钢双壁储罐建立了有限元模型，并在不同的载荷工况作用下对卧式玻璃钢双壁储油罐进行了有限元分析^[1]。

本论文的主要工作有：在卧式玻璃钢双壁储罐装满液体和负压两种情况下，分析了卧式玻璃钢双壁储罐的受力情况，并运用ANSYS软件建立了玻璃钢双壁储罐的有限元模型，分析了其在两种载荷工况下的约束和载荷情况，对玻璃钢双壁储罐的有限元的分析结果进行了总结、归纳和分析，并在负压下不满足标准要求的情况下，对卧式玻璃钢双壁储罐在结构设计方面进行了调整和重新分析，对结构调整前后的结果做了对比，最后对结构优化提出了合理的建议。

本论文的特色：本论文利用有限元对现有玻璃钢双壁储罐进行分析，对现有玻璃钢双壁储罐产品结构的优化、产品性能的提高和生产成本的降低提供依据，对提高企业竞争力、促进玻璃钢产业发展具有积极意义。

关键词：玻璃钢；双壁储罐；有限元分析；ANSYS

Abstract

FRP double-walled storage tank is a kind of glass fiber reinforced plastic products, is the use of glass fiber as a reinforcing agent, resin as a binder and made by winding process, with a light high strength, good corrosion resistance, good electrical properties, heat Good performance, good design and excellent process characteristics, is widely used in petrochemical, construction, machinery and other areas of the field, is gradually replacing carbon steel, stainless steel and most other market areas. In this paper, the finite element model of horizontal FRP double-walled storage tank is established, and the horizontal FRP double-walled oil storage tank is carried out under different load conditions. Finite element analysis.

The main work of this paper is as follows: In the case of horizontal FRP double-walled tank filled with liquid and negative pressure, the stress of horizontal FRP double-walled storage tank is analyzed, and the glass fiber reinforced plastic double-wall storage is established by ANSYS software. The finite element model of the tank is analyzed, and its constraint and load condition under two kinds of load conditions are analyzed. The results of finite element analysis of FRP double-walled storage tank are summarized, summarized and analyzed, and the negative pressure does not meet the standard In the case of requirements, the structure and design of horizontal FRP double - walled storage tanks were adjusted and reanalyzed, and the results were compared before and after the structural adjustment. Finally, reasonable suggestions were put forward for structural optimization.

In this paper, the finite element analysis of existing FRP double-walled storage tanks is used to provide the basis for the optimization of product structure of existing FRP double-walled storage tanks, the improvement of product performance and the reduction of production cost. Force, and promote the development of FRP industry has a positive significance.

Key Words：FRP；double - walled storage tank；finite element analysis；ANSYS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 1

1.3 国内外发展现状 1

1.3.1 国内发展现状 1

1.3.2 国外发展现状 2

1.4 本论文主要研究内容及方法 3

第2章 玻璃钢双壁储罐概述 5

2.1 玻璃钢双壁储罐的特点 5

2.1.1 质量轻，利于运输 5

2.1.2 强度高，有韧性 5

2.1.3 耐腐蚀性好 5

2.1.4 保温性好 5

2.1.5 电绝缘性好 5

2.1.6 可设计性强 6

2.1.7 使用寿命长，性价比高 6

2.2 玻璃钢双壁储罐的分类 6

2.3 玻璃钢双壁储罐的应用 6

第3章 卧式玻璃钢双壁储罐的结构设计 8

3.1 卧式玻璃钢双壁储罐的结构模型及参数特征 8

3.2 运用CATIA制图软件绘制卧式玻璃钢双壁储罐的三维立体图 9

第4章 卧式玻璃钢双壁储罐有限元分析 10

4.1 卧式玻璃钢双壁储罐几何模型的建立 10

4.2 单元属性 14

4.2 网格划分 18

4.4 载荷及约束情况 22

4.6 有限元计算结果与分析 26

第5章 结语 53

参考文献 54

致谢 55

第1章 绪论

1.1研究背景

我国玻璃钢/复合材料技术从1958年才开始起步发展，在初期阶段，也就是1971年之前，我国玻璃钢/复合材料产业主要围绕军工和航空航天方面进行研究，改革开放以来，我国的玻璃钢产业逐步发展和壮大，不仅在国防建设上做出了贡献，同时也在我国社会经济的发展方面发挥了积极的作用。近年来，通过与国外在玻璃钢领域的交流与合作，我国在玻璃钢/复合材料的设计和制造方面已经具备了较为完善的行业标准，并且在工业化生产方面也已经形成了较为完善的体系；另外，在玻璃钢/复合材料的人才培养方面，起初由建材部投资分别在各个高校成立了复合材料专业，几十年来为我国复合材料工业发展培养了大批的技术人才，如今，我国的复合材料专业教学制度及内容方面比国外的更先进、合理和完善^[2]。目前，我国玻璃钢/复合材料被广泛应用于多项领域，年产量位居世界第二位。

1.2研究意义

玻璃钢双壁储罐在玻璃钢/复合材料中的应用非常广泛，其主要是以玻璃纤维为增强剂，树脂为粘合剂然进行缠绕制造而成，与传统的混凝土材料、金属材料等相比较，具有高强度、轻质量、易成型、耐腐蚀和易安装等特点。虽然在我国现行的玻璃钢储罐的设计和检测规范中，有较为健全的标准，但是对于特定的玻璃钢双壁储罐的结构设计和有限元分析方面的研究较少^[3]。另外，近年来我国玻璃钢产业快速发展，玻璃钢市场竞争激烈，随着玻璃钢产量日益增大，许多企业对产品的设计多是根据经验而来，造成产品厚度较大、强度较低等问题，既浪费材料又不利于循环经济的发展，本文旨在从企业和市场经济的发展及循环经济和可持续发展的角度出发，对玻璃钢储罐的结构设计和有限元分析方面进行研究，对现有玻璃钢储罐的结构进行优化设计，达到节约材料、提高强度的目的。

1.3国内外发展现状

玻璃钢复合材料到目前为止已经有70多年的发展历史，玻璃钢产业已经成为了在全球范围内的一个重要产业，玻璃钢复合材料的年产量逐年大幅提升，据国家石油和化学工业联合会的有关数据显示，2013年的全球产量为1060万吨，相当于1978年全球年产量的5.3倍，产值达到了900亿欧元，其中欧洲、亚洲、北美洲是其主要的生产地和消费地^[4]。

1.3.1国内发展现状

1971年之前，我国玻璃钢产业主要围绕军工方面进行研究。为了满足玻璃钢工业发展的需要，由建材部投资分别在武汉理工大学、华东理工大学和哈尔滨工业大学成立了复合材料专业，四十多年来为我国复合材料工业发展输送了大批技术人才。如今，我国的复合材料专业教学制度及内容比国外更先进、更合理、更完善。经过几十年的发展，我国在复合材料的设计和制造方面已经具备了较为完善的行业标准^[5]。我国的玻璃钢工业经过50多年的进步和发展，在生产工艺和工业应用方面有了显著的提升，玻璃钢材料也逐渐发展成为了当前新材料市场中的主导，玻璃钢工业体系也在不断完善；我国的玻璃钢行业产能相对分散，经查，当前在国家工商局登记注册的复合材料生产企业总共有5,000 余家，分布在全国所有省市区。其中，纳入国家统计范围的年销售额在 2,000万元及以上的企业有 422家，中小企业占比达到 90%以上，行业产能相对分散。尽管如此，随着行业机械化成型比例提高及企业工艺与应用研发技术实力的提升，在部分地区和部分细分市场，市场份额正在逐步向有技术与管理实力的企业集中，行业产能结构和产业结构正在逐步优化。 据有关数据显示，世界复合材料的年产量正以6%的速度增长，而且我国已成为亚洲最大的生产国和消费国，我国的玻璃钢复合材料产量的增速尤为明显，从1978年到2016年，我国玻璃钢复合材料的产量增加了超过680倍^[6]。回顾50多年的发展，从20世纪50年代在军工、航天领域的应用与研发，到70、80年代在化工领域的管罐制品，再到现在玻璃钢复合材料的产业化生产和在众多领域的广泛应用，玻璃钢复合材料工业正一步步推动着我国经济建设和国防建设的发展^[7]。

在复合材料的有限元分析方面，虽然在国内ANSYS的应用起步较晚，但是经过这十几年的发展，ANSYS凭借自身优势，已经在各个分析领域得到了广泛的应用，成为了科研过程中不可或缺的计算分析工具，如北京科技大学的康永林等人采用ANSYS分析软件对树脂复合轻质夹层钢板进行了模拟分析，得到了中错动量的分布与变化规律；西北工业大学的研究学者马志军等人运用ANSYS深入的研究了玻璃纤维材料玻璃纤维的排布情况对残余热应力的影响^[8]。

1.3.2国外发展现状

复合材料最早诞生于美国，其中树脂基复合材料是最先被开发出来并被广泛应用的复合材料，自1932年出现以来，已经发展了80多年，应用面最为广泛，产业化的程度也是最高的。二战期间，玻璃纤维复合材料首次以手糊工艺的方式运用于制造飞机油箱和雷达罩，这也为之后复合材料在军工工业当中的广泛应用奠定了基础；1960年前后，美国运用了玻璃纤维缠绕工艺成功研制出了导弹发动机的壳体。1963年，美、法、日等工业较发达国家先后对树脂基复合材料进行了工业化的生产，并在1965年实现了连续化的生产；随着复合材料生产工艺的不断创新和复合材料产业化发展，复合材料已经在军事、石油化工、建筑等领域得到了广泛的应用^[9]。