低溫移動(dòng)LNG儲(chǔ)罐角鋼圈輕量化設(shè)計(jì)研究

閆東東， 王 琪,， 吳小芳， 狄駿皓， 丁徐強(qiáng)

低溫移動(dòng)LNG儲(chǔ)罐角鋼圈輕量化設(shè)計(jì)研究

閆東東1， 王 琪1,2， 吳小芳3， 狄駿皓1， 丁徐強(qiáng)2

（1. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 南通理工學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，江蘇 南通 226000；3. 張家港中集圣達(dá)因特種裝備有限公司，江蘇 張家港 215600）

由于低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)重心高、質(zhì)量大、能耗高，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)很有必要。因此，對(duì)某型號(hào)低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)罐體進(jìn)行建模，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況承受的慣性力載荷進(jìn)行應(yīng)力分析，使用分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力分類(lèi)法進(jìn)行校核?；趯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)點(diǎn)采樣和曲面擬合技術(shù)，以角鋼圈尺寸參數(shù)為自變量，線性化路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度為約束條件，建立有限元擬合函數(shù)數(shù)學(xué)模型，采用MOGA多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行求解。結(jié)果表明，優(yōu)化后的罐體滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，罐體質(zhì)量減少約226.37 kg，罐體內(nèi)容器與外殼角鋼圈長(zhǎng)邊寬、短邊寬減少了0.53、19.98、9.98、11.98 mm，對(duì)優(yōu)化后的角鋼圈組合截面慣性矩進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，滿足壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)要求。

低溫儲(chǔ)罐；數(shù)值模擬；半掛車(chē)；輕量化；遺傳算法

低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)主要是LN2、LO2、LCO2、LAR、LNG、LH2等深冷介質(zhì)的公路運(yùn)輸工具。移動(dòng)壓力容器是指由罐體或者大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶與行走裝置或者框架，采用永久性連接組成的運(yùn)輸裝備[1]。鞍座副梁與行走機(jī)構(gòu)車(chē)架邊梁采用永久性焊接或螺栓連接，牽引座與牽引機(jī)構(gòu)車(chē)頭拖掛部分采用50#牽引銷(xiāo)連接。罐內(nèi)低溫LNG介質(zhì)于－162～－130℃在相關(guān)設(shè)計(jì)壓力下存儲(chǔ)于移動(dòng)式壓力容器罐體內(nèi)容器內(nèi)，罐體卸液時(shí)液體經(jīng)翅片式或繞片式增壓器向內(nèi)容器增壓以彌補(bǔ)泵體抽液時(shí)形成的壓力差變化。相關(guān)的研究熱點(diǎn)是低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)的輕量化，以提高低溫LNG液體運(yùn)輸效率。

近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者在罐用材料方面選用玻璃鋼、鎂、鋁合金等替換不銹鋼[2-4][3]，應(yīng)變強(qiáng)化增加罐體材料的強(qiáng)度裕度，絕熱新型材料、安全閥、爆破片、泄壓閥等的設(shè)計(jì)、管路以及罐體部分的有限元計(jì)算[5-7][6][6]，運(yùn)輸過(guò)程中罐內(nèi)液體介質(zhì)的晃動(dòng)對(duì)罐體裝載液體重心的轉(zhuǎn)移影響、罐車(chē)泄露爆炸的數(shù)值分析、交通事故中各種因素對(duì)翻車(chē)和釋放危險(xiǎn)物質(zhì)概率的影響、等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和仿真模擬[8-11][9][10]。結(jié)構(gòu)輕量化方面，王一川和任彥昭等人提出一種新型翅片夾芯結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圈代替原角鋼圈[12-13]，王曉東從八點(diǎn)支撐的角度對(duì)該結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化[14]，伍能和采用布谷鳥(niǎo)搜索算法對(duì)封頭中心接管結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化[15]。張自斌、段若等人對(duì)罐體壁厚、內(nèi)徑、接管壁厚進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[16-17]，目前，實(shí)際工程生產(chǎn)應(yīng)用罐體筒體壁厚已采用壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中的極限要求。迄今，壓力容器的輕型化仍是研究熱點(diǎn)之一[18-20][19]。

本文用已有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)二維圖繪制罐體三維模型，用ANSYS有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，并結(jié)合響應(yīng)面方法擬合出罐體內(nèi)容器與外殼角鋼圈長(zhǎng)邊寬、短邊寬參數(shù)與罐體質(zhì)量和應(yīng)力強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行迭代，尋找響應(yīng)面設(shè)計(jì)點(diǎn)全局最優(yōu)取值，對(duì)罐體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在保證可靠性的前提下，接近總體質(zhì)量輕的目標(biāo)。

1 罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模

基本設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)罐體強(qiáng)度如下表1所示，此車(chē)型充裝介質(zhì)為低溫LNG液體，介質(zhì)密度513.5 kg/m3，罐體外形長(zhǎng)度為12 704 mm，額定載質(zhì)量24 300 Kg。

表1 罐體主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，對(duì)罐體進(jìn)行建模，前沖工況選用1/2模型，內(nèi)容器和外殼體中間采用前后八點(diǎn)支撐，八點(diǎn)支撐用Z3848玻璃鋼管與絕熱支撐棒。內(nèi)容器外表面使用鋁箔紙與玻璃纖維紙交叉纏繞的絕熱被進(jìn)行包裹，絕熱被厚度約為20±2 mm，絕熱材料符合GB/T31480的要求，纏繞完一層后用尼龍線縫合在筒體兩端。約進(jìn)行50次纏繞后對(duì)夾層進(jìn)行充氮置換處理3～5次，保證內(nèi)外筒體絕對(duì)隔熱系數(shù)以及高真空多層絕熱槽車(chē)制造工藝，罐體三維視圖如圖1所示。

圖1 罐體

2 罐體靜力學(xué)分析

2.1 靜力學(xué)分析

殼體內(nèi)壁施加靜壓力（設(shè)計(jì)壓力0.65 MPa），內(nèi)外罐體之間施加－0.1 MPa的真空壓力，運(yùn)行方向施加沿罐體方向的慣性載荷；沿支座方向向下的標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，在牽引機(jī)構(gòu)底部及行走機(jī)構(gòu)底部采用模擬車(chē)彈簧板及輪胎的垂直方向彈性支撐（垂直方向無(wú)拉伸約束的彈性支撐），約束其余兩個(gè)方向的位移，對(duì)稱(chēng)模型在對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束，行走機(jī)構(gòu)底面限制三個(gè)方向的位移[21]，材料屬性和載荷工況如表2、3所示。

表2 材料屬性

表3 載荷工況

總體質(zhì)量10 110 Kg加上額定載質(zhì)量24 300 Kg，其中的慣性力按照《冷凍液化氣體汽車(chē)罐車(chē)》罐體及其緊固裝置在運(yùn)輸工況中承受的慣性力載荷，用等效壓力法[22]施加載荷，乘以重力加速度，按要求轉(zhuǎn)換成等效靜態(tài)力[1]。應(yīng)力強(qiáng)度如圖2所示，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在內(nèi)容器與前支座連接墊板上布置的角鋼圈邊緣處。

圖2 應(yīng)力強(qiáng)度

通過(guò)ANSYS提供的路徑線性化的功能，在內(nèi)封頭應(yīng)力最大處沿厚度添加線性化路徑一，根據(jù)分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，路徑一上的應(yīng)力存在薄膜與彎曲應(yīng)力，選用1.5KS進(jìn)行校核，筒體與封頭過(guò)渡處的應(yīng)力采用一次總體薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力校核?？傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)處以及開(kāi)孔區(qū)域存在應(yīng)力集中，在結(jié)構(gòu)局部高應(yīng)力區(qū)沿壁厚的路徑上各類(lèi)應(yīng)力區(qū)分開(kāi)，存在薄膜與彎曲加二次應(yīng)力，選用3S進(jìn)行校核，采用一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力加二次應(yīng)力校核[23-25][24]。

圖3 路徑一應(yīng)力強(qiáng)度

根據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)，路徑二取在應(yīng)力值最大處的角鋼圈邊緣，實(shí)際工程中內(nèi)筒體、角鋼圈、八點(diǎn)支撐玻璃鋼管、支座墊板等結(jié)構(gòu)都需要線性化查看應(yīng)力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，這里是一種理想情況。得到路徑二下的應(yīng)力強(qiáng)度如圖4所示，各條路徑應(yīng)力線性化的評(píng)定結(jié)果如表4所示。

圖4 最大應(yīng)力處應(yīng)力強(qiáng)度

表4 強(qiáng)度評(píng)定

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

選用響應(yīng)曲面優(yōu)化進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，用于產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。拓?fù)鋬?yōu)化主要是對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)渫庑芜M(jìn)行優(yōu)化，可能會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的拓?fù)湫螒B(tài)，雖然可以減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量，會(huì)造成加工困難以及工藝成本的增加[26]。選擇尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)、質(zhì)量、路徑一、二上的線性化應(yīng)力強(qiáng)度為輸出數(shù)據(jù)。在Response surface optimization中創(chuàng)建田口正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表格，在光滑的擬合響應(yīng)曲面上取50組設(shè)計(jì)取樣點(diǎn)。各變量之間用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，簡(jiǎn)稱(chēng)參數(shù)耦合[27]，這些參數(shù)反應(yīng)著結(jié)構(gòu)形狀的大小以及產(chǎn)品性能優(yōu)劣，輕量化數(shù)學(xué)模型如式（1）～（5）所示。

實(shí)際中，設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)變量之間的真實(shí)函數(shù)關(guān)系是不可知的，響應(yīng)面方法采用多元二次方程來(lái)擬合設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)變量之間的函數(shù)關(guān)系，是實(shí)際情況的一種近似[28]。這里將罐體內(nèi)容器與外殼角鋼圈長(zhǎng)邊寬、短邊寬數(shù)據(jù)作為1～4輸入。1,2, …, x代表一組相互獨(dú)立參數(shù)的設(shè)計(jì)變量，用列向量表示，在N維空間中取到數(shù)個(gè)點(diǎn)分析優(yōu)化模型，在邊界與可行域中尋找最小質(zhì)量函數(shù)的最優(yōu)解。1為一次總體薄膜應(yīng)力加上一次彎曲應(yīng)力，2為一次局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力加二次應(yīng)力，()為優(yōu)化目標(biāo)，為罐體質(zhì)量。

3.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化

通過(guò)Design of Experiments模塊進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。設(shè)置參數(shù)后，更新參數(shù)后得到50組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)，50組實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)點(diǎn)得到輸出變量關(guān)于輸入變量的近似變化規(guī)律以曲面擬合的形式表現(xiàn)出，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)響應(yīng)結(jié)果如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)響應(yīng)結(jié)果

（續(xù)表5）

①指角鋼圈總體質(zhì)量

響應(yīng)面更新后，這里選取對(duì)路徑一、二線性化應(yīng)力較為敏感的輸入?yún)?shù)內(nèi)容器與外容器角鋼圈短邊寬、內(nèi)容器角鋼圈短邊寬與長(zhǎng)邊寬生成應(yīng)力強(qiáng)度響應(yīng)圖5觀察擬合精度。

3.3 優(yōu)化結(jié)果及優(yōu)化前后對(duì)比

通過(guò)Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化求解設(shè)置，設(shè)置各線性化路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度低于材料的允許范圍，優(yōu)化目標(biāo)為質(zhì)量最小值。Screening方法是一種直接采樣，可用于響應(yīng)面優(yōu)化系統(tǒng)以及直接優(yōu)化系統(tǒng)，但此方法僅適合于初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，精度較低[29]。選用適合計(jì)算全局最大值或最小值的MOGA算法，MOGA算法是基于NSGA-Ⅱ的一個(gè)變種多目標(biāo)遺傳算法。采用MOGA算法后，生成3個(gè)候選點(diǎn)，應(yīng)力強(qiáng)度迭代圖6。求解結(jié)果如表6所示。罐體及其支座優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比如表7所示，優(yōu)化后的罐體質(zhì)量減少約226.37 kg。

圖6 路徑二應(yīng)力強(qiáng)度迭代

表6 求解結(jié)果

表7 優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比結(jié)果

計(jì)算角鋼圈與圓筒組合段所需的慣性矩[30]：

滿足《壓力容器》設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

優(yōu)化后的線性化應(yīng)力結(jié)果滿足《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于材料的極限許用應(yīng)力范圍之下，通過(guò)了低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)前沖工況的強(qiáng)度校核。罐體質(zhì)量減少約226.37 kg，接近了輕量化、大容積的目標(biāo)，并滿足《壓力容器》中對(duì)于角鋼圈慣性矩的要求。得到該型號(hào)低溫液體運(yùn)輸車(chē)前沖工況下罐體角鋼圈的優(yōu)化尺寸，在低溫液體運(yùn)輸半掛車(chē)運(yùn)輸工況許用的條件范圍之下通過(guò)遺傳算法求出最優(yōu)取值。

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Lightweight Design of Angle Ring for Low Temperature Mobile LNG Storage Tank

YAN Dong-dong1, WANG Qi1,2, WU Xiao-fang3, DI Jun-hao1, DING Xu-qiang2

（1. College of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, China;2. Automotive Engineering College, Nantong Institute of Technology, Nantong 226000, China;3. Zhangjiagang CIMC Santum Special Equipment Co. Ltd., Zhangjiagang 215600, China）

Because of the high center of gravity, large mass and high energy consumption of the semi-trailer for cryogenic liquid transportation, it is necessary to optimize the design. Therefore, the model of a type of cryogenic liquid transport semi-trailer tank is modeled, the stress analysis is carried out according to the inertia force load under standard working conditions, and the stress classification method in the analysis and design standard is used to check. Based on the design point sampling and surface fitting technology of experimental design, the finite element fitting function mathematical model was established with the Angle ring size parameters as independent variables and the stress intensity along the linearized path as constraints. MOGA multi-objective genetic algorithm was used to solve the model. The results show that the optimized tank meets the evaluation standard, the tank mass is reduced by 226.37 kg, and the long side width and short side width of the Angle ring between the container and the shell are reduced by 0.53 mm, 19.98 mm, 9.98 mm and 11.98 mm. The moment of inertia of the combined section of the optimized Angle ring is verified by calculation, which meets the conventional design requirements of pressure vessels.

cryogenic storage tank; semitrailer; response surface; lightweight design; genetic algorithm

TQ053.2

A

1009-220X(2022)04-0068-08

10.16560/j.cnki.gzhx.20220404

2022-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51906091）。

閆東東（1997～），男，陜西咸陽(yáng)人，碩士；主要從事特種車(chē)輛零部件應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。