LNG氣瓶及支架設(shè)計

吳季

【摘 要】LNG顧名思義，叫做液化天然氣。目前液化天然氣被認(rèn)為是一種具有清潔功能的高效潔凈能源。由于液化天然氣的各種特性，比如燃燒效率高，方便，價格合理，燃燒充分，清潔干凈，所以使得天然氣成為國家大力發(fā)展的一種能源。LNG氣瓶和支架的設(shè)計，重點放在支架的設(shè)計上，順帶著對氣瓶作一些簡單的介紹。氣瓶也就是一種特制的，材料大多數(shù)是鋼制的，常用來貯存，運(yùn)輸天然氣的一種大型容器。支架大多數(shù)是鋼材或者鋁材的一種支撐器材，多用來固定，支撐，運(yùn)輸裝載著液化天然氣的氣瓶，對氣瓶起著保護(hù)的作用，防止氣瓶的跌落，滑倒，位移。此次設(shè)計對鋁材的支架進(jìn)行重點的研究，運(yùn)用三維CATIA設(shè)計出支架的具體模型，并且將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖形，對支架的零件進(jìn)行拆分，對各個零件進(jìn)行分析，在支架的外觀，材料，制造工藝等方面做出闡述，提出自己的見解。并且在實驗的基礎(chǔ)上，對鋁材和鋼材分別進(jìn)行實驗，對氣瓶進(jìn)行正向和側(cè)向力的加載，記錄支架和氣瓶的位移變化，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】LNG;氣瓶;支架;設(shè)計

第一章 LNG得認(rèn)識

1.LNG介紹

LNG英文全稱是Liquefied Natural Gas，即液化天然氣。液化天然氣就是在天然氣的基礎(chǔ)上，經(jīng)過深冷工藝，冷卻液化得到的一種液態(tài)產(chǎn)物。LNG低溫，氣液比大，所以在和氣態(tài)的天然氣相比，能夠高效的用于運(yùn)輸和儲存。LNG一度被認(rèn)為是世界上最清潔的化石能源之一，它的含硫量極低，若用于發(fā)電和生活燃料的燃燒，將極大的減少酸雨，有利于保護(hù)環(huán)境，節(jié)約化石燃料的燃燒。同時它的燃點較高，從燃燒角度來看，相對的更加充分。它主要用于大中小城市的燃料供給，工廠的氣源，車船飛機(jī)的交通燃料，分布式能源系統(tǒng)的循環(huán)利用。

LNG的發(fā)展影響著國家的經(jīng)濟(jì)命脈和一系列工業(yè)機(jī)械的走向。能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)展的根基，隨著低碳方針和大氣霧霾方針的出臺，相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)顯著提高。我國的LNG的發(fā)展，當(dāng)前亟需考慮的就是價格過高和供給不平衡的問題，對此國家不斷的出臺了一系列的設(shè)計方案和應(yīng)對措施。從國內(nèi)LNG的制定標(biāo)準(zhǔn)，材料的選擇以及氣瓶的硬度來看，我國規(guī)定材料進(jìn)入制造廠后要進(jìn)行化學(xué)成分的復(fù)驗，鋼錠進(jìn)行低倍組織檢驗，無縫鋼管進(jìn)行無損傷檢驗，而國外標(biāo)準(zhǔn)沒有這項要求，這和國內(nèi)外鋼材質(zhì)量水平有關(guān)。因此在國內(nèi)外的鋼瓶質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上，中國還需要提高標(biāo)準(zhǔn)要求。相信隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展轉(zhuǎn)變方式和對能源多樣性的需求上，關(guān)于液化天然氣的各個方面都能飛速發(fā)展起來

2.支架輕量化概念

支架因為是和汽車是配適的，所謂的輕量化也就是指的汽車輕量化。車身輕量化系數(shù)公式為：

L=M/CtA。

式中，——L為白車身輕量化系數(shù)

——M為白車身骨架重量

——Ct為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度

——A為白車身腳印面積。

在保證汽車安全，剛度，NVH等性能提升或者不變的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，合理的材料選擇，合理的制造工藝等手段，從而達(dá)到重量的降低。最后達(dá)到節(jié)能減排，整車的輕量化，從而使得汽車更加的輕快便捷。

輕量化的等級定義：

第二章 氣瓶及支架設(shè)計材料選擇

LNG支架的作用：LNG的支架材料在現(xiàn)在來看，大部分采用鋼材和鋁材來加工制造。其主要作用就是來承載，固定和裝運(yùn)LNG氣瓶，使得LNG氣瓶更加的穩(wěn)定牢固，使得氣瓶不易跌落，滑倒和變形。同時支架也注重輕量化的設(shè)計，使得運(yùn)輸更加的輕松便利。

LNG氣瓶的作用：LNG的氣瓶大多數(shù)是特制的鋼制容器，其主要的作用就是對天然氣采用深冷工藝，使得天然的從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，從而更好的運(yùn)輸。因為從化學(xué)的角度分析，氣態(tài)的天然氣，它所需要的壓力更大，對鋼制的容器要求更高，同時在高溫時，氣態(tài)容易發(fā)生爆炸等危險，而液態(tài)的天然氣就沒有此項的考慮。

材料選擇：初步的材料選擇中，我們可以選擇碳鋼，也可以選擇鋁材來進(jìn)行設(shè)計制造。本課題是對鋁合金支架進(jìn)行設(shè)計制造，從鋁材和鋼材的材料對比中我們不難發(fā)現(xiàn)，鋁合金支架比碳鋼支架更耐低溫、耐腐蝕，而且還具有高熱傳導(dǎo)和高比強(qiáng)度性能。當(dāng)然，鋁合金的支架同時也難免有一些缺點，比如鋁材的價格更高，不耐磨，怕受到撞擊，焊點低，導(dǎo)電性一般，硬度相對的差一點。從制造工藝上看，一個零件的產(chǎn)生基本上分為沖壓工藝，拉伸工藝，彎曲工藝等工藝。沖壓工藝主要的影響性能指標(biāo)有屈服極限，屈強(qiáng)比，延伸率，厚向異性系數(shù)。對于鋼材，在沖壓工藝中常常出現(xiàn)時效失效和表象失效。因為時效的影響，鋼板及鋼帶的力學(xué)機(jī)能會隨著時間的變化而變差，如屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的上升，斷后伸長率的下降，成型性能變差，出現(xiàn)拉伸應(yīng)變，又由于存儲不當(dāng)，造成鋼板受潮生銹，外力破損、變形等，也容易在鋼廠軋制過程工藝控制部分不足，導(dǎo)致鋼板表面出現(xiàn)凹坑，結(jié)疤，裂紋，夾雜，劃傷，壓痕，麻點及氧化色等影響形性及涂，鍍附著力的缺陷，導(dǎo)致金屬容易出現(xiàn)塑性變形。對于鋁合金來說，由于塑形較強(qiáng)，金屬性能較好，不容易出現(xiàn)上述鋼所出現(xiàn)的失效。在拉伸工藝中，鋼材零件由于容易造成材料失穩(wěn)，拉深件容易起皺，也容易使得材料斷裂或破裂。鋁合金由于是合金，具有綜合各種金屬優(yōu)良的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度較好。在彎曲工藝中，因為鋼材的支架是焊接，鋁材的支架的螺紋連接，在焊接中，因為是高溫焊接，鋼材容易出現(xiàn)彎曲變形，使得彎曲部分的形狀和尺寸發(fā)生變化而與模具的尺寸不一致。在制造工藝上看，選擇鋁材較為有優(yōu)勢。從原料的成本來看，鋼材比鋁材可能相對的更加節(jié)約成本。

第三章 設(shè)計實驗數(shù)據(jù)分析

我們分別設(shè)計了同類型的鋁合金及鋼材支架，并對支架進(jìn)行了實驗以用于檢測支架和氣瓶在不同力的工況下的位移變化情況。在不同的位置擺放位移傳感器，并且對位移傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后對支架和氣瓶進(jìn)行逐力加載，最后記錄實驗數(shù)據(jù)。以橫軸為偏移量，縱軸為加載力。

根據(jù)國家的標(biāo)準(zhǔn)，位移最大量應(yīng)不超過13mm。從實驗結(jié)果我們可以看出，碳鋼和鋁材的支架都是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的。而且在5噸力的范圍內(nèi)，鋁合金支架的偏移量總的來說依舊是小于碳鋼的偏移量。綜合分析，選擇鋁材合金作為支架的材料，更加的合理。

結(jié)論：LNG氣瓶和支架的研究對實際的車載天然氣的儲存和運(yùn)輸有著極大的應(yīng)用效果，為推廣汽車的輕量化奠定了堅實的基礎(chǔ)。對節(jié)約能源，改善大氣質(zhì)量和環(huán)境具有重要的意義。本次實驗的結(jié)論顯示，鋁合金的支架應(yīng)用范圍較廣，使用途徑和優(yōu)勢更加的明顯，支架的輕量化技術(shù)，也是未來的研究方向之一。汽車的輕量化技術(shù)是未來的大趨勢，在這樣的一個趨勢下，期待汽車輕量化方向有著更大的突破。相信在未來的電子設(shè)備和技術(shù)不斷的革故鼎新下，LNG氣瓶和支架的研究會更加的具體化，研究深度也會更加深。

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