中北大学课程设计说明书学生姓名：詹锋学号： 0603044238 学院：材料科学与工程学院专业：复合材料与工程题目：容积为60m3贮存质量分数为37%的硝酸卧式玻璃钢储罐设计指导教师：陈剑楠曹杨职称: 讲师讲师2009年 12月 31日中北大学课程设计任务书学年第一学期学院：材料科学与工程学院专业：复合材料与工程学生姓名：学号：课程设计题目：容积为60m3贮存质量分数为37%的硝酸卧式玻璃钢储罐设计起迄日期：2009年12月21日～2009年12月31日课程设计地点：中北大学材料科学与工程学院指导教师：陈剑楠曹杨系主任：李迎春下达任务书日期: 2009年12月18日课程设计任务书课程设计任务书目录1.前言 (1)2.造型设计 (2)2.1储罐构造尺寸确定 (2)2.2封头的选择 (2)2.3伸臂长度确定 (3)2.4支座及间距 (3)3.性能设计 (4)3.1基体材料性能及其特点介绍 (5)3.2增强材料介绍 (6)4.节构设计 (7)4.1储罐荷载计算和设计简图 (7)4.2由储罐的轴向应力计算壁厚 (8)4.3由储罐的剪力计算储罐的壁厚 (8)4.4由储罐的环形应力计算储罐壁厚 (8)4.5由蝶形封头设计壁厚 (10)4.6设计结果 (10)5.工艺设计 (11)5.1筒身设计 (11)5.2封头的制造工艺及模具制造方法 (12)6.玻璃钢卧式贮罐零部件设计 (14)6.1贮罐的开孔与补强 (14)6.2排气孔 (14)6.3贮罐进出口管和人孔设计 (14)6.4排液管 (16)6.5支座设计 (16)7.安装设计 (17)8.制品检验 (18)9.小结 (19)10.参考文献 (20)前言卧式玻璃纤维增强塑料贮罐主要用做化工贮罐、运输罐车、反应釜、喷雾洗涤器等。
与立式贮罐相比，卧式贮罐的容积较小，但具有搬运方便，可异地安装使用的特点。
玻璃钢容器、玻璃钢储罐耐化学腐蚀，使用寿命长，玻璃钢具有特殊的耐腐性能，在储存腐蚀性介质时，玻璃钢显示出其他材料所无法比拟的优越性，可以耐多种酸、碱、盐和有机溶剂[1]。
玻璃钢容器、玻璃钢储罐设计灵活性大，罐壁结构性能优异，纤维缠绕玻璃钢可以改变树脂系统或增强材料来高速玻璃钢贮罐及非标装置的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的需要。
通过结构层厚度、缠绕角和壁厚结构和设计来调整罐体的承载能力，制成不同压力等级或某些特殊性能的玻璃钢贮罐及非标装置，这是各向同性的金属材料无法与其相比的。
因为玻璃钢的比重通常为1.8-2.1，是钢的1/4-1/5，比钢、铸佚和塑料的比强度都高。
玻璃钢的热膨胀系数与钢大体相当，热传导系数只有钢的0.5%。
玻璃钢贮罐具有一系列特点，如质量轻、耐腐蚀性强、强度高、保温隔热效果好、成型容易、安装和运输方便、维护费用低等，在各工业领域得到广泛应用[2]。
我国玻璃钢贮罐的发展十分迅速，已经颁布了纤维增强塑料贮罐的标准，规定了贮罐用原材料、生产工艺、结构形式、产品性能和几何尺寸、验收条件等等，规范了玻璃钢产品市场，对提高玻璃钢贮罐产品质量起到了促进作用。
目前国内玻璃钢贮罐主要用于地下石油贮罐、化工及食品容器、运输罐、三次采油聚丙烯酰胺母液贮罐、工业用超纯水贮罐、污染回收罐等等纤维增强塑料贮罐是复合材料制品最广泛应用的一种产品结构形式，主要用于储存各种腐蚀性液体、气体和粉末状物料，应用在石油、化工、冶金、造纸、城市供水等领域。
这类贮罐强度、刚度和防渗漏性要求较高，对于容积较大的贮罐，特别适合于纤维缠绕工艺或喷射工艺整体成型，不宜采用手糊工艺分块制造、最后组装的结构形式。
2 造型设计2.1 储罐构造尺寸确定造型设计如图2-1：图2-1设计标准：《中华人民共和国行业标准 玻璃钢储罐标准系列HG 21504.1-92》，卧式储罐容积360V m =，可选直径系列有2800D mm =和3000D mm =，本设计初选3000D mm =，因此储罐的长度85002()2VL mm D π==。
2.2 封头的选择卧式圆筒形储罐的封头一般采用凸形封头，常用的凸形封头形式有半球形、半椭球形和蝶形封头[3]。
（1）半球形封头 受力最佳，与筒体的连接平滑过渡，局部附加应力小。
但是由于这样封头深度大，手糊成型不方便，脱模比较困难，所以玻璃钢储罐很少采用这样封头。
（2）半椭球形封头 其是由半个椭球壳和一段高度为h 的圆筒形部分组成。
由于半椭球形曲线的曲率半径变化是连续的，所以封头中的应力分布比较均匀，受力仅此于半球形封头，加工制造比较方便。
（3）蝶形封头 其是有折边的球形封头，由半径为R 的部分球面和高度为h 的圆筒形部分以及半径为r 的过渡部分组成，标准蝶形封头0.9R D =且0.17r D =。
在连接处，经线曲率半径有突变，应力分布不如椭球形分布均匀，缓和，但是蝶形封头的加工制作最方便。
综合以上分析，选择蝶形封头，因为它加工制造最方便，本设计中的卧式储罐不是压力储罐，因此标准蝶形封头可以满足应力使用要求，因此0.9R D =且0.17r D =，封头高度0.52[()(2)]DH R R D R r =--+-550mm =。
2.3 伸臂长度确定根据0.2070.390A H L L=-计算出123G G G G =++。
2.4 支座及间距卧式储罐一般是水平安装在支座上的，支座主要分为双边连续支座、鞍座、圈座和支腿。
其中鞍座应用最多,所以选择鞍式支座。
鞍座间距126600L L A mm =-=如图2-2所示q=70.5kN/m图2-22.4 小节：（1）储罐鞍座选用三鞍座（如图2-1）,鞍座间距为3300mm（2）封头采用蝶形封头设计； （3）罐身长8500mm,内径3000mm ；（4）进水、出水孔、人孔、液面计口、备用口安装标准按HG 21504.1-92《玻璃钢储槽标准系列》（5）所用法兰按HG/T 21633-1991选用3性能设计任务要求: 贮存质量分数37%的盐酸，使用温度为常温，属于典型的玻璃钢贮罐。
表一[6]各种材料规格铺层数材料名称规格（g∕m2）层数纤维（kg）内衬树脂（kg）结构层树脂（kg）筒身聚酯毡301 2.1540.83网眼布651 4.27喷射纱15019.4928.47网眼布651 4.27喷射纱4504113.89292.86网眼布65417.070.4布4504105.05105.05网眼布6528.54封头表面毡35010.6211.86喷射纱1501 2.768.27喷射纱450433.0989.470.4布400322.8922.89喷射纱450216.5544.74以上两步交替重复3遍拐角加喷，宽度300m喷射纱300 g∕m21214.39参数纱片宽TEX纱股数纤维类型材料用量（kg）聚酯毡 2.77内衬层树脂471.77喷射纱223.23结构层树脂346.84网眼布34.140.4布173.74合计1252.51说明：1、内衬层树脂用SW901结构层树脂用S901；2、储罐内衬层脱模后与平地封头对接，缠绕结构层设备位号“2V-707”典型的玻璃钢贮罐其结构分为四层：内表层、次表层、结构层和外表层。
其功能各为：（1）内衬层主要起防腐、防渗作用；（2）次表层主要是防止介质渗漏结构层承受荷载引起的各种应力；（3）外保护层则用于防自然老化和摩擦碰撞[4].内表层、次表层、结构层和外表层如图3-1：图3-1（1）内表层内表层也是防腐层，一般用玻璃纤维表面毡、有机纤维表面毡或其他增强材料的富树脂层，要求含胶量达到90%左右，其厚度为0.25~0.5mm。
各种材料指标如（表一）（2）次表层其含胶量比内表层低，通常有短切纤维制成的短切毡铺成；其主要功能是防止介质渗漏。
（3）结构层这一层是贮罐壁的主要结构，用来承受外载荷，由连续纤维缠绕成型或由纤维织物手糊成型。
玻璃钢贮罐的结构设计主要是确定这一层的铺层方式和厚度。
（4）外表层它是贮罐的结构层的外保护层。
其功能是保护结构层免收外界机械损伤和外界环境条件引起的老化。
3.1基体的性能及其特点介绍：1，内衬层树脂为SW901树脂，其特点如下：(1)极低的粘度，工艺性能好，放热峰在100°C以内；(2)成型树脂具有良好的力学性能和防腐性能；(3)其FRP成品可以在大于-45°C.的环境下面安全使用。
2，结构层树脂用S901，其特点是：价格便宜、实用性强，同时其强度要求满足工艺及其使用要求。
3.2增强材料的性能介绍：3.2.1 聚酯毡抗拉强力高、延伸性能好、热稳定性能优良、耐穿刺能力强、抗腐蚀、耐老化。
3.2.2 喷射纱(1)硅烷偶联剂。
(2)优良的集束性和成带性。
(3)在树脂中能快速和彻底地浸透。
(4)优良的耐磨蚀性,无毛羽。
(5)优良的机械性能。
3.2.3 玻璃钢基布0.4布玻璃钢基布（玻璃钢0.4布）是由中碱或无碱无捻粗纱纺织而成，无捻粗纱经硅烷偶连剂处理，易于被树脂浸润，耐腐蚀，强度高，而且层间粘合性好，能适合各种曲面施工[7]。
3.2.4 表面毡，其特点如下：玻璃纤维表面毡特有的生产工艺,决定其具有表面平整纤维分散均匀,手感柔顺,透气性好,树脂浸透速度快等特点.表面毡应用于玻璃钢制品,良好的透气性能使树脂快速渗透,彻底消除气泡和白渍现象,它良好的伏模性适合任何形状复杂的产品和模制品表面,能掩盖布纹,提高表面光洁度和防渗漏性,同时增强层间剪切强度和表面韧性,提高产品的耐腐蚀性和耐侯性,是制造高质量玻璃钢模具及制品的必需用品. 产品适用于玻璃钢手糊成型，缠绕成型，拉挤型材，连续平板，真空吸附成型等工艺。
3.2 小节：（1）内衬层选用树脂为SW901树脂； （2）结构层树脂用S901树脂；（3）外表层选用玻璃纤维表面毡混合S901树脂缠绕。
4 结构设计4.1 储罐荷载计算和设计简图4.1.1 储罐设计简图储罐设计简图如图4-1所示：此储罐按照三支座外伸梁计算储罐受力分析图4-1q4.1.2 载荷计算储罐中液体硫酸质量160 1.1971.4HCL G V t =ρ=⨯=玻璃钢壳体质量{}2222322[()()]t G rL Hr H r r t ππ=+⨯---ρ=2.2附件质量30.4G ≈支座承受的总重量12374G G G G t =++= a 、储罐单位长度上的均布载荷23q G/(L+2H)=7.05t/m=⨯70.5kN/m =b 、支座反力14B 33F =q L+H =246.8KN A F =（）c 、支座处剪力边支座内侧截面处的剪力21A 3Q =F -qA-qH 109.3KN = 边支座外侧截面处的剪力 223Q =qA 137.5qH KN += 跨中支座处的剪力233Q =q(L/2+H)-F 616.9A KN = d 、边支座和跨中支座处的弯矩边支座处弯矩 212A 23M =-(A+H)68.73KN=- 跨中支座处弯矩21414L B 23232M =q L+H -q L+H (-A)=3886.3K N m•（）（） 由于B A M M >，所以应该以B M 作为计算弯矩。