基于有限元的長管拖車氣瓶瓶肩結(jié)構(gòu)分析

李大星，魏化中*，陶芳澤，吳斌，高宏

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100029

基于有限元的長管拖車氣瓶瓶肩結(jié)構(gòu)分析

李大星1，魏化中1*，陶芳澤2，吳斌1，高宏1

1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430205；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京100029

為了改善長管拖車氣瓶瓶肩的受力狀態(tài)，嘗試在長管拖車氣瓶瓶肩添加一種矩形環(huán)凸形結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS軟件分別模擬了環(huán)凸形結(jié)構(gòu)離肩距為10 mm～55 mm、長度為40 mm～130 mm、寬度為6 mm～24 mm范圍內(nèi)的最大位移、最大等效應(yīng)力和最大軸向應(yīng)力，最后與長管拖車氣瓶瓶肩不添加環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的結(jié)果對(duì)比分析.結(jié)果表明：長管拖車氣瓶瓶肩添加環(huán)凸形結(jié)構(gòu)可以改善氣瓶的受力狀態(tài)，減小最大位移大約3.3%，最大等效應(yīng)力大約10%，最大軸向應(yīng)力大約5%，氣瓶受力狀態(tài)與環(huán)凸形結(jié)構(gòu)位置、長度和寬度大致呈線性關(guān)系，這種設(shè)計(jì)為長管拖車氣瓶的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考.

有限元；長管拖車氣瓶；環(huán)凸形結(jié)構(gòu)；受力狀態(tài)

1 引言

天然氣是一種混合氣態(tài)化石燃料，含有多種成分，大部分是烷烴類氣體，例如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷.天然氣燃燒后生成物主要是水和二氧化碳，與傳統(tǒng)能源相比，天然氣具有安全、熱值高、環(huán)保等特點(diǎn)，天然氣的需求量日益增大［1］.天然氣長管拖車是儲(chǔ)存、運(yùn)輸壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG）的專用車，它是由大容積氣瓶通過框架與走行裝置或直接與走行裝置固定在一起而組成的運(yùn)輸設(shè)備［2］.

長管拖車?yán)p繞氣瓶的筒體部分采用碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料干法纏繞，復(fù)合材料大型CNG專用氣瓶的內(nèi)襯可以采用熱塑性塑料，如高密度聚乙烯.合適的纏繞張力可以使樹脂產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，因此可以提高纏繞氣瓶的抗開裂能力.固化工藝是保證樹脂充分固化的重要條件，它將直接影響復(fù)合材料制品的力學(xué)特性.國內(nèi)正在大力研發(fā)碳纖維復(fù)合材料CNG專用氣瓶［3-7］.

長管拖車氣瓶筒體材料采用復(fù)合材料纏繞可以有效的增強(qiáng)氣瓶的強(qiáng)度，內(nèi)襯也可以使用新型材料，提高氣瓶的承載能力.這些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中.

張艷春等［8］討論了液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）大型儲(chǔ)罐不同部位加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用所討論的設(shè)計(jì)方法并結(jié)合國內(nèi)某LNG接收終端項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)LNG儲(chǔ)罐加強(qiáng)圈進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得出的結(jié)果與參考項(xiàng)目吻合較好.李玉坤等［9］運(yùn)用有限元軟件建立了儲(chǔ)罐在不同載荷工況下的有限元數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)抗風(fēng)圈和加強(qiáng)圈分別進(jìn)行了強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算，給出了罐壁的變形特點(diǎn)及極限風(fēng)壓值.對(duì)比分析根據(jù)GB50341［10］和API650［11］設(shè)計(jì)的抗風(fēng)圈、加強(qiáng)圈的計(jì)算結(jié)果，給出了抗風(fēng)圈和加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算意見，可為大型儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).蔡昌全等［12］運(yùn)用有限元軟件分析了長管拖車應(yīng)力應(yīng)變變形情況及其安全系數(shù)，得出了氣瓶各部分受力變形情況及安全系數(shù)的大小.其結(jié)果表明，在正常受力情況下防轉(zhuǎn)銷釘處并不會(huì)成為失效點(diǎn)，而氣瓶其它部分存在應(yīng)力集中的位置.李偉［13］運(yùn)用有限元軟件計(jì)算分析表明，長管拖車氣瓶在內(nèi)壓載荷和慣性載荷的共同作用下，氣瓶外表面第一圈嚙合螺紋根部應(yīng)力強(qiáng)度較大且高于材料的屈服極限，可能造成具備螺紋結(jié)構(gòu)的應(yīng)變強(qiáng)化并使得材料變脆.

以上的研究成果均有較高的使用價(jià)值，在長管拖車氣瓶也可以設(shè)計(jì)與加強(qiáng)圈相似的結(jié)構(gòu)，以改善長管拖車的受力狀態(tài).在長管拖車氣瓶在檢驗(yàn)過程中，檢驗(yàn)員經(jīng)常在瓶肩附件發(fā)現(xiàn)多種缺陷，這些缺陷往往與瓶肩復(fù)雜的受力狀態(tài)和應(yīng)力集中有著密不可分的關(guān)系，受力狀態(tài)是能否導(dǎo)致缺陷的主要因素之一.針對(duì)這種狀況，嘗試在長管拖車氣瓶瓶肩附近設(shè)置環(huán)凸形結(jié)構(gòu)，使瓶肩附近區(qū)域的受力狀態(tài)得到改善.

2 有限元分析

以某公司生產(chǎn)的長管拖車為研究對(duì)象，模擬分析環(huán)凸形結(jié)構(gòu)對(duì)長管拖車受力狀態(tài)的影響.其主要的尺寸參數(shù)和材料特性分別如表1和表2所示，示意圖如圖1所示.

表1 長管拖車氣瓶的尺寸Tab.1Dimension for tube trailer gas cylinder

表2 4130X材料特性Tab.2Material characteristics for 4130X

圖1 長管拖車氣瓶示意圖（單位：mm）Fig.1Schematic diagram of tube trailer gas cylinder（unit：mm）

圖2 氣瓶幾何模型Fig.2Geometric model of gas cylinder

圖3 氣瓶有限元模型Fig.3ANSYS model of gas cylinder

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬條件

長管拖車氣瓶瓶肩的環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的位置與長度寬度如圖4所示.

圖4 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的位置、長度、寬度示意圖（單位：mm）Fig.4Schematic diagram of position，length and width of ring convex structure（unit：mm）

首先模擬了沒有環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的長管拖車氣瓶的受力情況，其次模擬了當(dāng)環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的長度和寬度為100 mm×10 mm時(shí)，在上邊緣線離瓶肩的距離10 mm～55 mm范圍內(nèi)每5 mm設(shè)置環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的最大位移、最大等效應(yīng)力和最大軸向應(yīng)力，再次模擬了當(dāng)環(huán)凸形結(jié)構(gòu)上邊緣離瓶肩的距離是40 mm、寬度是16 mm時(shí)，長度在40 mm～130 mm范圍內(nèi)每10 mm設(shè)置環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的最大位移、最大等效應(yīng)力和最大軸向應(yīng)力，最后模擬了當(dāng)環(huán)凸形結(jié)構(gòu)上邊緣離瓶肩的距離是40 mm長度是100 mm時(shí)，寬度在6 mm～24 mm范圍內(nèi)每2 mm設(shè)置環(huán)凸形結(jié)構(gòu)時(shí)的最大位移、最大等效應(yīng)力和最大軸向應(yīng)力.

不設(shè)置環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的長管拖車氣瓶的最大位移是0.455 mm，最大等效應(yīng)力是426 MPa，最大軸向應(yīng)力是196 MPa.

3.2 模擬結(jié)果

圖5～圖7為最大位移隨環(huán)凸形結(jié)構(gòu)肩距、長度和寬度變化的結(jié)果.圖8～圖10為最大等效應(yīng)力隨環(huán)凸形結(jié)構(gòu)肩距、長度和寬度的結(jié)果.圖11～圖13為最大軸向應(yīng)力隨環(huán)凸形結(jié)構(gòu)肩距、長度和寬度的結(jié)果.

以上算例中，所有長管拖車的徑向應(yīng)力穩(wěn)定在380 MPa，變化范圍極小，所以不需要考慮環(huán)凸形結(jié)構(gòu)不同位置、長度、寬度和厚度的設(shè)置對(duì)徑向應(yīng)力的影響.

圖5 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的肩距對(duì)應(yīng)最大位移Fig.5Maximum displacement corresponding to shoulder distance of ring convex structure

圖6 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的長度對(duì)應(yīng)最大位移Fig.6Maximum displacement corresponding to the length of ring convex structure

圖7 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的寬度對(duì)應(yīng)最大位移Fig.7Maximum displacement corresponding to the width of ring convex structure

圖8 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的肩距對(duì)應(yīng)最大等效應(yīng)力Fig.8Maximum mises stress corresponding to shoulder distance of ring convex structure

圖9 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的長度對(duì)應(yīng)最大等效應(yīng)力Fig.9Maximum mises stress corresponding to length of ring convex structure

圖10 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的寬度對(duì)應(yīng)最大等效應(yīng)力Fig.10Maximum mises stress corresponding to width of ring convex structure

圖11 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的肩距對(duì)應(yīng)最大軸向應(yīng)力Fig.11Maximum axial stress corresponding to shoulder distance of ring convex structure

圖12 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的長度對(duì)應(yīng)最大軸向應(yīng)力Fig.12Maximum axial stress corresponding to length of ring convex structure

圖13 環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的寬度對(duì)應(yīng)最大軸向應(yīng)力Fig.13Maximum axial stress corresponding to width of ring convex structure

3.3 結(jié)果分析

通過以上的分析結(jié)果可以看出長管拖車氣瓶設(shè)置環(huán)凸形結(jié)構(gòu)可以有效地減小最大等效應(yīng)力和軸向應(yīng)力，改善受力狀態(tài).從圖5可以看出最大位移隨著環(huán)凸形結(jié)構(gòu)肩距的增大而減小，大致呈線性關(guān)系；從圖6可以看出最大位移隨著環(huán)凸形結(jié)構(gòu)長度的增加而減小，在環(huán)凸形結(jié)構(gòu)長度大于50 mm部分，最大應(yīng)力與環(huán)凸形結(jié)構(gòu)長度大致呈線性關(guān)系；從圖7可以看出最大位移隨著環(huán)凸形結(jié)構(gòu)寬度的增加大致穩(wěn)定在0.445 mm；由圖8可以看出最大等效應(yīng)力與環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的肩距呈非線形關(guān)系，在40 mm處出現(xiàn)最小值387 MPa；從圖9可以看出最大等效應(yīng)力在環(huán)凸形結(jié)構(gòu)長度40 mm～50 mm處急劇降低，在大于50 mm處呈緩慢下降趨勢，大致呈線性關(guān)系；從圖10可以看出最大等效應(yīng)力與環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的寬度呈非線性下降關(guān)系；從圖11可以看出最大軸向應(yīng)力隨著環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的肩距增大大致穩(wěn)定在250 MPa左右；從圖12可以看出當(dāng)環(huán)凸形結(jié)構(gòu)大于50 mm時(shí)，最大軸向應(yīng)力隨著環(huán)凸形結(jié)構(gòu)長度的增加而增加，大致呈線性關(guān)系；由圖13可以看出最大軸向應(yīng)力隨著環(huán)凸形結(jié)構(gòu)寬度的增加而減小，大致呈線性關(guān)系.

相對(duì)于不設(shè)置環(huán)凸形結(jié)構(gòu)的長管拖車氣瓶而言，有些尺寸的環(huán)凸形結(jié)構(gòu)在一定程度上可以改善受力狀態(tài)，基于以上算例中，例如在離肩距40 mm處設(shè)置50 mm×16 mm、60 mm×16 mm、70 mm×16 mm、80 mm×16 mm、100 mm×14 mm、100 mm×16 mm、100 mm×18 mm、100 mm×20 mm、100 mm×22 mm矩形環(huán)凸形結(jié)構(gòu).設(shè)置這些尺寸的環(huán)凸形結(jié)構(gòu)可以減小最大位移大約3.3%，減小最大等效應(yīng)力大約10%，減小最大軸向應(yīng)力大約5%.

對(duì)于鋁合金材質(zhì)的氣瓶，如果壓力密度在門檻壓力密度以下時(shí)，則裂紋不會(huì)擴(kuò)展［14］.當(dāng)氣瓶經(jīng)常在極端情況下運(yùn)行時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致氣瓶局部的應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度，容易產(chǎn)生鼓包缺陷［15］.較高的等效應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展和氣瓶鼓包等缺陷的重要因素之一，可見改善長管拖車的受力狀態(tài)有利于避免缺陷的繼續(xù)擴(kuò)展.對(duì)于有腐蝕成分的CNG專用儲(chǔ)罐，在一定程度上可以減緩其損傷速度，例如常見的疲勞損傷和裂紋損傷.

4 結(jié)語

1）長管拖車在服役過程中容易在瓶肩附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象.

2）在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，設(shè)置合適尺寸的環(huán)凸形結(jié)構(gòu)可以減小最大位移約3.3%，減小最大等效應(yīng)力約10%，減小最大軸向應(yīng)力約5%，有利于減小產(chǎn)生缺陷的概率.

3）最大位移與環(huán)凸形結(jié)構(gòu)肩距和長度大致呈線性關(guān)系，最大等效應(yīng)力與環(huán)凸形結(jié)構(gòu)長度大致呈線性關(guān)系，最大軸向應(yīng)力與環(huán)凸形結(jié)構(gòu)肩距、長度和寬度大致呈線性關(guān)系.

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本文編輯：陳小平

Analysis of Shoulders Structure for Tube Trailer Gas Cylinder Based on ANSYS

LI Daxing1，WEI Huazhong1*，TAO Fangze2，WU Bin1，GAO Hong1
1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China

To improve the stress state of tube trailer gas cylinder，we added a kind of rectangular ring convex structure on the shoulders of tube trailer gas cylinder and used ANSYS software to simulate respectively the maximum displacement，maximum von Mises stress and maximum axial stress，for the ring convex structure at shoulder distance of 10 mm-55 mm，length of 40 mm-130 mm，and width of 6 mm-24 mm.Finally we comparatively analyzed the results with that without ring convex structure.The study shows that adding ring convex structure can improve the stress states and decrease maximum displacement about 3.3%，maximum von Mises stress about 10%and maximum axial about 5%，and the linear relationship between stress state of gas cylinder and position，length and width of ring convex structure is also demonstrated.This design provides a reference for optimum designing of tube trailer gas cylinder.

ANSYS；tube trailer gas cylinder；ring convex structure；stress state

TE834

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.017

文章編號(hào)：1674-2869（2016）06-0605-06

2016-05-12

李大星，碩士研究生.E-mail：1375483210@qq.com

*通訊作者：魏化中，教授.E-mail：weihzh@163.com