基于ANSYS Workbench氣瓶增壓管斷裂分析及優(yōu)化

劉明星，鄭甲紅，徐童非，趙奎鵬

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

隨著國(guó)家新興能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)調(diào)整，一大批新興能源項(xiàng)目得到快速發(fā)展，其中液化天然氣（LNG）以其價(jià)格相對(duì)低廉、無(wú)毒環(huán)保、便于貯存運(yùn)輸、安全性好、間接投資少等優(yōu)勢(shì)在眾多行業(yè)得到了廣泛推廣應(yīng)用。尤其是近兩年我國(guó)出現(xiàn)大范圍的霧霾、揚(yáng)塵等惡劣天氣，推廣清潔能源已成為我國(guó)治理環(huán)境污染、建設(shè)美好家園勢(shì)在必行的一項(xiàng)“國(guó)策”[1]。

然而LNG在我國(guó)的研究應(yīng)用相對(duì)國(guó)外時(shí)間不是很長(zhǎng)，技術(shù)也不夠成熟。其中穿過(guò)LNG氣瓶真空夾層的增壓管經(jīng)常出現(xiàn)斷裂失效導(dǎo)致氣瓶真空度下降乃至失真空，從而使LNG氣瓶系統(tǒng)徹底失效、報(bào)廢對(duì)客戶造成不可挽回的損失。因此研究增壓管斷裂機(jī)理，找出應(yīng)對(duì)措施優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)，減少其對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響保證維持氣瓶真空度，將具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。

1 增壓管斷裂分析

對(duì)于一般的管路而言，常見(jiàn)的失效形式有斷裂、裂紋、塑性變形、磨損、腐蝕、點(diǎn)蝕、表面損傷、過(guò)量彈性變形等。對(duì)于真空夾層中的管道，任何微小的缺陷都將導(dǎo)致真空度上升乃至失真空，這對(duì)于氣瓶的影響就是導(dǎo)致氣瓶直接報(bào)廢，損失很大[2]。

分析現(xiàn)有增壓管模型，一般的應(yīng)力集中易發(fā)生于管件連接處及拐彎處。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)解剖氣瓶對(duì)多個(gè)失效氣瓶的分析，最重要的失效位置位于增壓管接頭與增壓管90°焊接處，其他失效位置有增壓管接頭與氣瓶?jī)?nèi)膽連接處、增壓管彎折處、增壓管與外膽焊接連接處，如圖1所示。

圖1 失效的氣瓶增壓管

2 增壓管強(qiáng)度校核及有限元模型建立

增壓管位于氣瓶?jī)?nèi)外夾層之間的真空下，材料選取06Cr19Ni10，其力學(xué)性能如表1所示。由于氣瓶需要增壓管一定的柔性適應(yīng)變形，故不作剛度要求。

表1 06Cr19Ni10的材料力學(xué)性能

2.1 強(qiáng)度校核

增壓管處于真空夾層中，設(shè)管道內(nèi)部流體工作壓力1.59MPa，瓶體系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為3.2MPa，考慮一安全系數(shù)1.2，則其承受壓力為3.84MPa。管道外壁為近似真空，對(duì)于管道壁近似壓力0.1MPa，則總壓力可圓整為4MPa。

根據(jù)材料力學(xué)，假設(shè)該管道各處壓力相等，則管道壁受到拉應(yīng)力，計(jì)算[3]：

式中：Fs為有效作用力，A0為作用面積，As為壓強(qiáng)有效作用面積，p為管道施加計(jì)算壓強(qiáng)，d為管道內(nèi)徑，l為管道計(jì)算長(zhǎng)度，t為管道壁厚。

2.2 建立增壓管有限元模型

通過(guò)三維繪圖軟件SolidWorks對(duì)失效增壓管進(jìn)行三維建模[4]，增壓管屬于薄壁壓力管道，因此采用殼單元SHELL181，設(shè)定單元尺寸2mm，經(jīng)過(guò)Workbench劃分網(wǎng)格[5]后具有78693個(gè)節(jié)點(diǎn)及44733個(gè)單元，如圖2所示。

3 增壓管應(yīng)力分析及模態(tài)分析

3.1 應(yīng)力分析

由于氣瓶的內(nèi)外膽結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽與外膽支撐連接要考慮到傳熱因素，因此內(nèi)外膽在汽車行進(jìn)中不可避免會(huì)出現(xiàn)相對(duì)位移及旋轉(zhuǎn)，而增壓管連接著內(nèi)外膽[6]。對(duì)此增壓管工況可簡(jiǎn)單劃分為：X方向強(qiáng)制位移，Y方向強(qiáng)制位移，Z方向強(qiáng)制位移，Y+X方向強(qiáng)制位移，Y+Z方向強(qiáng)制位移。其中旋轉(zhuǎn)可認(rèn)為兩個(gè)方向的強(qiáng)制位移。對(duì)圖2模型按工況各方向施加10mm強(qiáng)制位移，接頭處施加固定約束，其等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖2 增壓管模型及網(wǎng)格劃分

通過(guò)對(duì)等效應(yīng)力云圖分析，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)制位移作用下，五種工況下應(yīng)力較大區(qū)域均位于增壓管與接頭90o焊接處及增壓管彎折處，其中Y向及Y+Z向反應(yīng)的是內(nèi)外膽相對(duì)旋轉(zhuǎn)工況，并且該工況下應(yīng)力明顯高于其他工況數(shù)倍，符合前述對(duì)增壓管的斷裂失效分析。

3.2 模態(tài)分析

氣瓶隨車在行駛過(guò)程中由于路面沖擊以及車輛本身振動(dòng)的影響，求出增壓管固有頻率，避免增壓管發(fā)生共振而遭到破壞[7]。在工況1下，可求得增壓管前六階模態(tài)頻率及振型，前六階模態(tài)頻率如表2所示，前三階模態(tài)振型如圖4所示。

圖3 等效應(yīng)力云圖

表2 前六階模態(tài)頻率

圖4 前三階模態(tài)振型圖

分析發(fā)現(xiàn)一階模態(tài)頻率為596.47Hz，增壓管長(zhǎng)度較短且兩端均焊接固定，相對(duì)汽車整體振動(dòng)頻率較高，一般不會(huì)發(fā)生共振破壞增壓管，故可不再考慮。

4 增壓管優(yōu)化及應(yīng)力模態(tài)分析比較

經(jīng)過(guò)前述計(jì)算分析可知，經(jīng)常發(fā)生斷裂的增壓管與接頭焊接處存在著接觸應(yīng)力、焊接應(yīng)力以及變形后較大的集中應(yīng)力，故可考慮去除90o焊接接頭，采用整體管道增大折彎半徑減小避開(kāi)大的集中應(yīng)力。優(yōu)化后的模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。同前述施加約束及強(qiáng)制位移，優(yōu)化后等效應(yīng)力云圖如圖6所示。

表3 各種工況下最大應(yīng)力對(duì)比（MPa）

圖6 優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖

通過(guò)應(yīng)力云圖對(duì)比優(yōu)化前后增壓管各工況下的最大應(yīng)力如表3所示，在X向、Z向及Y+X向三種工況下應(yīng)力相對(duì)Y向及Y+Z向較小，優(yōu)化前后基本上沒(méi)有很大變化，而Y向及Y+Z向在優(yōu)化后應(yīng)力明顯較小，應(yīng)力最大值減小最大達(dá)到69.4%，可見(jiàn)去除90o焊接接頭對(duì)于減小旋轉(zhuǎn)工況下最大集中應(yīng)力具有明顯效果。

優(yōu)化后的模態(tài)分析與優(yōu)化前相比，一階模態(tài)頻率由596.47Hz變?yōu)?35.64Hz，最大變形量由3548.7變?yōu)?19.27，減小幅度達(dá)到96%，優(yōu)化效果在數(shù)值上還是比較明顯。

在經(jīng)過(guò)氣瓶一些列如跌落、火燒、撞擊、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后，某公司實(shí)際試制投入市場(chǎng)以來(lái)三個(gè)月，試制氣瓶在真空度方面未發(fā)現(xiàn)任何異常。

5 結(jié)論

通過(guò)該研究分析及實(shí)驗(yàn)表明，采用一體不銹鋼管直接彎曲成型比原有90o焊接接頭連接避免接觸應(yīng)力，大大減小了最大集中應(yīng)力，應(yīng)力最大值減小最大達(dá)到69.4%，可見(jiàn)去除90o焊接接頭對(duì)于減小旋轉(zhuǎn)工況下最大集中應(yīng)力具有明顯效果。通過(guò)三維軟件建模，導(dǎo)入商業(yè)有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行應(yīng)力、模態(tài)分析，不僅可以進(jìn)行精確計(jì)算還能有效減少產(chǎn)品改進(jìn)實(shí)驗(yàn)次數(shù)、縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)周期，切實(shí)提高企業(yè)個(gè)體市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]楊德志,彭雪鋒,許淵,秦峰.我國(guó)LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問(wèn)題及對(duì)策研究[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2013,7(1):3-5.

[2]丁伯民,曹文輝,等.承壓容器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.3.

[3]劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M].北京:高等教育出版社,2004.1.

[4]趙罘,楊曉晉,劉玥.SolidWorks2013中文版機(jī)械設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2013.4.

[5]浦廣益.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解（第二版）[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2013.4.

[6]魏冬雪.低溫液化氣體儲(chǔ)罐強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)[D].北京:北京化工大學(xué),2010.

[7]牛躍文.基于ANSYS的礦用汽車車架有限元模態(tài)分析[J].煤礦機(jī)械,2007,28(4):98-100.