GFWRP压力容器的可靠性安全系数法设计

GFWRP压力容器的可靠性安全系数法设计

第3期

2009年9月

纤维复合材料FIBER

COMPOSITES

No1319　

Sep1,2009

GFWRP压力容器的可靠性安全系数法设计

梁　岩,颜　磊,王清民

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2

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(1.哈尔滨玻璃钢研究院,哈尔滨　150036)　(2.哈尔滨工业大学材料学院,150001)

摘　要　为得到用传统的安全系数法设计的玻璃纤维增强聚合物基复合材料缠绕(GFWRP)压力容器的可靠度指

标,通过实验得到玻璃纤维缠绕聚合物基复合材料(GFWRP)压力容器诸参量的概率密度分布及特征值,按国标制备了3个GFWRP压力容器,进行爆破试验。采用95%概率强度与99%概率载荷,由可靠度β=0.99999,得到可靠性安全系数fR=1.436,对GFWRP压力容器采用基于网格理论的可靠性设计与可靠性安全系数法设计,结果表明,此种设计方法较传统安全系数法设计经济且具可靠性保证。关键词　FWRP压力容器;概率分布;可靠性设计;安全系数

TheDesignMethodofReliabilityPressureVessel

LIY,Qingmin

,Harbin　150036)

(2.Engineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin　150001)

ABSTRACTgetindexoftheglassfiberwoundreinforcedplastics(GFWRP)pressurevesselsusingtra2ditionaldesign,probabilisticdistributionanddesignvariablesofGFWRPpressurevesselswereobtainedbyexperim2ents.Threeglassfiberwoundreinforcedplastics(GFWRP)pressurevesselsweremanufacturedandexplodedbasedonNationalStandard.Adopting95%ofprobabilitystrengthand99%ofprobabilityloadtogetthesafetyfactorfR=1.436asprobabilityβ=0.99999.Theresultindicatesthatthenettingtheory,thereliabilitydesignandreliabilitysafetyfactordesignforGFWRPpressurevesselscanensuresafeandreliableandmoreeconomicthantheresultfromthetraditionalsafetyfactordesign.KEYWORDS　GFWRPpressurevessel;Probabilisticdistribution;Reliabilitydesign;Safetyfactor

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1　引　言

玻璃纤维缠绕聚合物基复合材料(GFWRP)压力容器以其比强度及比模量高、耐腐蚀、可实现等强度设计等优异性能,在国防高科技、民用领域得到广泛应用。目前,FWRP压力容器国内外大都是采用传统安全系数法进行设计。FWRP压力容器设计标准仅给出了安全系数范围,并未给出可靠度指标。传统安全系数设计方法没有解决随机性问题,将设计参量:材料强度、载荷、结构尺寸、缠绕角等全都为单值确定量。把诸多不确定量用一个安全系数掩盖起来,存在主观性强、科学性差、经济性低的弊端。

本文通过实验得到复合材料增强体-玻璃纤维强度的概率密度分布。制备三个GFWRP压力容器并进行爆破试验,得到了GFWRP压力容器设计诸重要参量的随机特征值。根据基于网格理论的可靠性设计,以及可靠性安全系数法设计,并同传统安全系数法设计进行了对比。

2　可靠性设计理论

结构可靠性的定义为结构抗力(强度)减去荷载

效应(应力)的概率。压力容器可靠性设计,主要利用应力-强度干涉模型如图1所示

。

图1　强度-应力干涉模型

设计结构的可靠度为:

β=P(S2-S1>0)=∫[∫f1(S1)dS1]f2(S2)dS2

-∞-∞

(1)

∞

S

2

式中:S1,S2为压力容器的应力和强度,其概率

GFWRP压力容器的可靠性安全系数法设计

20　纤　维　复　合　材　料2009年

密度函数分别为f1(S1),f2(S2)。

由实验知,FWRP压力容器的强度为Weibull分布的随机变量,在此假设都满足正态分布随机变量,

σ相应的均值与标准差分别为 PS、 PL和σS、L。其概率密度函数为:

f(S1)=f(S2)=

exp-2σπLexp-2σπS

σL

S2- PS

σS

可靠性状态方程Z=S2-S1亦为正态分布的随机变量。其均值和标准差为

Z=S 2-S 1,σZ= PLCVL

令u0=

S-PL,t=22σZS+σL

22

PSCVS,σS+σL,σS= L=

图2　S-(2)((3)式中,u0为可靠性系数。,u0代入(1)得,

β=

π

e

-∞

u0

dt

(4)

结构可靠性设计即是根据载荷和强度的统计特性,按给定的可靠性要求,使设计的平均强度满足

(5) PS- PL≥u0σZ

:

m-1σσ22)=(σ≥(,,η,δexpηηη

δ,m>0,η>0)(6)

式中:m-形状参数η,-尺度参数δ,-位置参数。

采用有图分析法或数值分析法进行参数评估得到:m=3.6η,=1043δ,=1827。再根据Weibull分布均值标准差计算方法,得到:

)=90016E(X)=2756,Var(Г

2

这与样本的均值 f=2743MPa,标准差σ=88961,符合得很好。由此可知,S-纤维强度随机分布是Weibull分布,且其离散系数Cv=10.86%3.3　GFWRP压力容器水压爆破试验

3　试　验

3.1　GFWRP压力容器制备

采用连续S-高强玻璃纤维-环氧树脂,按照国家标准GB6058-85制备3个小型GFWRP压力容器,其几何尺寸:筒体内径D=150mm,长为L=400mm。采用橡胶内衬,封头高度为h=38mm,极孔直径d=53mm。诸项参量测定结果如表1所示。

表1　GFWRP压力容器测定结果

筒体半径Πmm

均值标准差

751Π3

按照国家标准GB6058-85对压力容器进行水压爆破试验,爆破结果如表2所示,爆破破坏形态如

图3所示。

表2　GFRP缠绕压力容器的爆破压力

压力容器编号爆破强度ΠMPa

120.5

221.2

321.4

纤维缠绕角α°

19.81Π3

玻璃钢总厚度Π

mm

2.090.027

3.2　S-高强玻璃纤维束纱随机强度测试

将纤维束纱带用机械法浸胶,保证张力一致,浸

胶均匀,含胶量控制在35%～40%。采用INSTRON-5582力学性能测试仪,按国家标准GBΠT3362-82

　　通过试验获得GFWRP压力容器各 …… 此处隐藏：3971字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……