李大星，魏化中*，陶芳澤，吳斌，高宏

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205；2.中國特種設備檢測研究院，北京100029

基于有限元的長管拖車氣瓶瓶肩結構分析

李大星1，魏化中1*，陶芳澤2，吳斌1，高宏1

1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430205；2.中國特種設備檢測研究院，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)凸形結構，運用ANSYS軟件分別模擬了環(huán)凸形結構離肩距為10 mm～55 mm、長度為40 mm～130 mm、寬度為6 mm～24 mm范圍內的最大位移、最大等效應力和最大軸向應力，最后與長管拖車氣瓶瓶肩不添加環(huán)凸形結構的結果對比分析.結果表明：長管拖車氣瓶瓶肩添加環(huán)凸形結構可以改善氣瓶的受力狀態(tài)，減小最大位移大約3.3%，最大等效應力大約10%，最大軸向應力大約5%，氣瓶受力狀態(tài)與環(huán)凸形結構位置、長度和寬度大致呈線性關系，這種設計為長管拖車氣瓶的優(yōu)化設計提供了參考.

有限元；長管拖車氣瓶；環(huán)凸形結構；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，天然氣的需求量日益增大［1］.天然氣長管拖車是儲存、運輸壓縮天然氣（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輸設備［2］.

長管拖車纏繞氣瓶的筒體部分采用碳纖維環(huán)氧樹脂預浸料干法纏繞，復合材料大型CNG專用氣瓶的內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生預應力，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，它將直接影響復合材料制品的力學特性.國內正在大力研發(fā)碳纖維復合材料CNG專用氣瓶［3-7］.

長管拖車氣瓶筒體材料采用復合材料纏繞可以有效的增強氣瓶的強度，內襯也可以使用新型材料，提高氣瓶的承載能力.這些優(yōu)化設計方法已經運用到實際生產過程中.

張艷春等［8］討論了液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）大型儲罐不同部位加強圈的設計方法，運用所討論的設計方法并結合國內某LNG接收終端項目的基礎數據，對LNG儲罐加強圈進行設計計算，得出的結果與參考項目吻合較好.李玉坤等［9］運用有限元軟件建立了儲罐在不同載荷工況下的有限元數值計算模型，對抗風圈和加強圈分別進行了強度和穩(wěn)定性計算，給出了罐壁的變形特點及極限風壓值.對比分析根據GB50341［10］和API650［11］設計的抗風圈、加強圈的計算結果，給出了抗風圈和加強圈的設計計算意見，可為大型儲罐的設計提供參考依據.蔡昌全等［12］運用有限元軟件分析了長管拖車應力應變變形情況及其安全系數，得出了氣瓶各部分受力變形情況及安全系數的大小.其結果表明，在正常受力情況下防轉銷釘處并不會成為失效點，而氣瓶其它部分存在應力集中的位置.李偉［13］運用有限元軟件計算分析表明，長管拖車氣瓶在內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力強度較大且高于材料的屈服極限，可能造成具備螺紋結構的應變強化并使得材料變脆.

以上的研究成果均有較高的使用價值，在長管拖車氣瓶也可以設計與加強圈相似的結構，以改善長管拖車的受力狀態(tài).在長管拖車氣瓶在檢驗過程中，檢驗員經常在瓶肩附件發(fā)現多種缺陷，這些缺陷往往與瓶肩復雜的受力狀態(tài)和應力集中有著密不可分的關系，受力狀態(tài)是能否導致缺陷的主要因素之一.針對這種狀況，嘗試在長管拖車氣瓶瓶肩附近設置環(huán)凸形結構，使瓶肩附近區(qū)域的受力狀態(tài)得到改善.

2 有限元分析

以某公司生產的長管拖車為研究對象，模擬分析環(huán)凸形結構對長管拖車受力狀態(tài)的影響.其主要的尺寸參數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 結果與討論

3.1 模擬條件

長管拖車氣瓶瓶肩的環(huán)凸形結構的位置與長度寬度如圖4所示.

圖4 環(huán)凸形結構的位置、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)凸形結構的長管拖車氣瓶的受力情況，其次模擬了當環(huán)凸形結構的長度和寬度為100 mm×10 mm時，在上邊緣線離瓶肩的距離10 mm～55 mm范圍內每5 mm設置環(huán)凸形結構的最大位移、最大等效應力和最大軸向應力，再次模擬了當環(huán)凸形結構上邊緣離瓶肩的距離是40 mm、寬度是16 mm時，長度在40 mm～130 mm范圍內每10 mm設置環(huán)凸形結構的最大位移、最大等效應力和最大軸向應力，最后模擬了當環(huán)凸形結構上邊緣離瓶肩的距離是40 mm長度是100 mm時，寬度在6 mm～24 mm范圍內每2 mm設置環(huán)凸形結構時的最大位移、最大等效應力和最大軸向應力.

不設置環(huán)凸形結構的長管拖車氣瓶的最大位移是0.455 mm，最大等效應力是426 MPa，最大軸向應力是196 MPa.

3.2 模擬結果

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

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

圖5 環(huán)凸形結構的肩距對應最大位移Fig.5Maximum displacement corresponding to shoulder distance of ring convex structure

圖6 環(huán)凸形結構的長度對應最大位移Fig.6Maximum displacement corresponding to the length of ring convex structure

圖7 環(huán)凸形結構的寬度對應最大位移Fig.7Maximum displacement corresponding to the width of ring convex structure

圖8 環(huán)凸形結構的肩距對應最大等效應力Fig.8Maximum mises stress corresponding to shoulder distance of ring convex structure

圖9 環(huán)凸形結構的長度對應最大等效應力Fig.9Maximum mises stress corresponding to length of ring convex structure

圖10 環(huán)凸形結構的寬度對應最大等效應力Fig.10Maximum mises stress corresponding to width of ring convex structure

圖11 環(huán)凸形結構的肩距對應最大軸向應力Fig.11Maximum axial stress corresponding to shoulder distance of ring convex structure

圖12 環(huán)凸形結構的長度對應最大軸向應力Fig.12Maximum axial stress corresponding to length of ring convex structure

圖13 環(huán)凸形結構的寬度對應最大軸向應力Fig.13Maximum axial stress corresponding to width of ring convex structure

3.3 結果分析

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

相對于不設置環(huán)凸形結構的長管拖車氣瓶而言，有些尺寸的環(huán)凸形結構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)凸形結構.設置這些尺寸的環(huán)凸形結構可以減小最大位移大約3.3%，減小最大等效應力大約10%，減小最大軸向應力大約5%.

對于鋁合金材質的氣瓶，如果壓力密度在門檻壓力密度以下時，則裂紋不會擴展［14］.當氣瓶經常在極端情況下運行時可能會導致氣瓶局部的應力超過其屈服強度，容易產生鼓包缺陷［15］.較高的等效應力是導致裂紋擴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)擴展.對于有腐蝕成分的CNG專用儲罐，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 結語

1）長管拖車在服役過程中容易在瓶肩附近產生應力集中現象.

2）在保證結構強度時，設置合適尺寸的環(huán)凸形結構可以減小最大位移約3.3%，減小最大等效應力約10%，減小最大軸向應力約5%，有利于減小產生缺陷的概率.

3）最大位移與環(huán)凸形結構肩距和長度大致呈線性關系，最大等效應力與環(huán)凸形結構長度大致呈線性關系，最大軸向應力與環(huán)凸形結構肩距、長度和寬度大致呈線性關系.

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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：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