長管拖車天然氣瓶疲勞壽命分析

于新奇 宋伯龍 張朝 劉慶剛

摘要：長管拖車天然氣瓶在內(nèi)壓變化及道路運(yùn)輸造成的慣性載荷作用下，存在疲勞失效風(fēng)險。為了明確在交變載荷作用下氣瓶的安全狀態(tài)，以目前廣泛采用的長管拖車天然氣瓶為模型，針對內(nèi)壓和慣性載荷作用下的長管拖車氣瓶進(jìn)行了疲勞分析。采用ANSYS Workbench進(jìn)行模擬，得到了不同載荷條件下氣瓶的疲勞壽命分布情況。分析結(jié)果表明，在內(nèi)壓作用下，氣瓶處于有限疲勞壽命狀態(tài)，但能夠滿足要求；當(dāng)慣性載荷超過一定數(shù)值時，長管拖車氣瓶處于有限壽命狀態(tài)，不滿足強(qiáng)度要求，因此要控制其受到的慣性載荷。

關(guān)鍵詞：疲勞；長管拖車；天然氣瓶；疲勞壽命；有限元分析

中圖分類號：TE834 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis of fatigue life for tube trailer cylinders

YU Xinqi， SONG Bolong， ZHANG Zhao， LIU Qinggang

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：Risk of fatigue failure exists in the tube trailer cylinders under the condition of internal pressure variation and inertial load caused through road transport. In order to estimate the safety state of the cylinders under the action of alternating load， the model of certain geometry sizes is built based on the widely used tube trailer cylinders. The fatigue analysis of tube trailer gas cylinders is made aiming at the action of the internal pressure and the inertial load. The fatigue life distribution of cylinders is obtained under the condition of different loads through the numerical simulation by ANSYS Workbench. The analysis results show that under internal pressure， gas cylinders have limited fatigue life， but can satisfy the requirements； when the inertial load exceeds a certain value， natural gas cylinders of tube trailer is under finite life state， which does not meet the requirements of strength， therefore the inertial load should be controlled.

Keywords：fatigue； tube trailer； natural gas cylinder； fatigue life； finite element analysis

收稿日期：2015-03-27；修回日期：2015-04-16；責(zé)任編輯：馮民

作者簡介：于新奇（1963—），男，河北藁城人，教授，博士，主要從事過程裝備及其密封方面的教學(xué)與研究。

E-mail：yxqyxq0016@163.com

于新奇，宋伯龍，張朝，等.長管拖車天然氣瓶疲勞壽命分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2015，36（4）：407-412.

YU Xinqi， SONG Bolong， ZHANG Zhao， et al.Analysis of fatigue life for tube trailer cylinders[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（4）：407-412.隨著世界能源消耗的急劇增加和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，天然氣在總能源消耗中所占的比例越來越大[1]。天然氣長距離運(yùn)輸以管道為主，但在短距離運(yùn)輸中，鋪設(shè)管道投資巨大，更適合采用車輛運(yùn)輸[2-3]。長管拖車是一種方便、快捷的短距離天然氣運(yùn)輸方式，得到了廣泛的應(yīng)用。

長管拖車在中國廣泛應(yīng)用的同時暴露出越來越多的問題。李偉等[4]對中國長管拖車的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題進(jìn)行了分析；張洪[5]指出在長管拖車運(yùn)行過程中各種動載荷對長管拖車的安全具有顯著的影響；楊利芬等[6]對大容積無縫氣瓶在承受加載、卸載過程循環(huán)應(yīng)力條件下的疲勞壽命進(jìn)行了實驗研究。長管拖車氣瓶在其運(yùn)行壽命范圍內(nèi)會反復(fù)充氣和放氣，其內(nèi)部壓力會發(fā)生較大范圍的變化，因此存在低周疲勞的風(fēng)險；另外，在長管拖車天然氣瓶的結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，由于存在應(yīng)力集中，可能造成小范圍屈服，在運(yùn)輸過程中造成的交變載荷的作用下這些區(qū)域可能產(chǎn)生高周疲勞失效。本文針對長管拖車氣瓶可能產(chǎn)生的疲勞失效問題，開展長管拖車天然氣瓶在交變載荷作用下的損傷和疲勞壽命研究。

1長管拖車天然氣瓶模型

目前中國最常用的長管拖車氣瓶固定方式為集裝箱式[7]，每一個氣瓶單獨固定在集裝箱框架上，各氣瓶之間沒有相互約束作用。因此在對氣瓶進(jìn)行分析時，只需要單獨對1只氣瓶進(jìn)行分析即可。本文采用的模型為中國某企業(yè)生產(chǎn)的長管拖車氣瓶的實際尺寸（如圖1所示），采用的材料為4130X，材料機(jī)械性能見表1。4130X是中國長管拖車氣瓶主要制造材料，應(yīng)用廣泛[8]。

河北科技大學(xué)學(xué)報2015年第4期于新奇，等：長管拖車天然氣瓶疲勞壽命分析圖1氣瓶模型及幾何尺寸

Fig.1Model of a cylinder and its geometric dimensions

表1氣瓶材料機(jī)械性能

Tab.1Performance of the material of the cylinder

項目彈性模量/MPa泊松比屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa密度/（kg·m-3）參數(shù)2.06×1050.36577667 850

圖2高壓天然氣瓶模型

Fig.2Model of a high-pressure natural gas cylinder

按照圖1采用CAD軟件建立三維模型并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中?？紤]高壓天然氣瓶兩端外螺紋與法蘭連接[9]，因此在長管拖車兩端外螺紋處建立附加法蘭模型，又由于法蘭模型對于氣瓶只起到約束作用，因此將法蘭簡化為2個厚壁、中心開孔的圓板，如圖2所示。

采用掃略（Sweep）的方式對圖2所示模型劃分網(wǎng)格，如圖3所示。有針對性的對氣瓶兩端縮口處及外螺紋處等由于曲率變化存在邊緣應(yīng)力、應(yīng)力梯度較大的位置采用較小的網(wǎng)格尺寸[10]，細(xì)化的網(wǎng)格如圖4所示。根據(jù)上述原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分有限元網(wǎng)格（Element） 19 816個，節(jié)點（Node）103 680個。

圖3氣瓶有限元網(wǎng)格

Fig.3Finite element mesh of a cylinder

圖4收口及外螺紋處有限元網(wǎng)格

Fig.4Finite element mesh at the area of

convergent and external thread

2材料4130X疲勞性能曲線數(shù)據(jù)

材料的疲勞性能曲線需要按照J(rèn)B 4732—1995設(shè)計[11]。根據(jù)JB 4732—1995，考慮到材料的實際抗拉強(qiáng)度和彈性模量，通過插值公式（1）和公式（2）得出材料4130X的疲勞壽命曲線數(shù)據(jù)見表2。S*a=S0a+σ*b-σ0bσ1b-σ0b（S1a-S0a）。（1）式中：S*a為長管拖車天然氣瓶材料許用應(yīng)力強(qiáng)度幅值；S0a為抗拉極限≤552 MPa材料的許用應(yīng)力強(qiáng)度幅值；S1a為抗拉強(qiáng)度為793～896 MPa材料的許用應(yīng)力強(qiáng)度幅值；σ*b為長管拖車天然氣瓶材料抗拉強(qiáng)度；σ0b為抗拉極限≤552 MPa材料的抗拉強(qiáng)度，σ0b取552 MPa；σ1b為抗拉強(qiáng)度為793～896 MPa材料的抗拉強(qiáng)度，σ1b取896 MPa。S*′a=S*a·E1E0。（2）式中：S*′a為折算后的許用應(yīng)力強(qiáng)度幅值，MPa；S*a為未折算的應(yīng)力強(qiáng)度幅值，MPa；E0為標(biāo)準(zhǔn)中疲勞曲線適用的彈性模量，E0取2.1×105 MPa；E1為材料4130X的彈性模量，E1取2.06×105 MPa。

表2材料4130X疲勞曲線數(shù)據(jù)

Tab.2Fatigue curve data of material 4130X

循環(huán)數(shù)許用應(yīng)力幅值/MPa1×1013 250.710 02×1012 403.716 05×1011 671.081 01×1021 260.746 02×102964.424 55×102689.461 2循環(huán)數(shù)許用應(yīng)力幅值/MPa1×103540.356 42×103424.666 85×103328.967 01×104282.029 51.2×104291.342 92×104230.672 1循環(huán)數(shù)許用應(yīng)力幅值/MPa5×104180.991 41×105160.391 42×105143.561 25×105127.270 01×106116.168 7

對于表2中未涉及的循環(huán)數(shù)，根據(jù)JB 4732—1995規(guī)定，可以按照式（3）進(jìn)行插值。NNi=NjNi[lg（Si/S）/lg（Si/Sj）]。（3）式中：N為需要插值的循環(huán)數(shù)；S為循環(huán)數(shù)N對應(yīng)的許用疲勞應(yīng)力幅值，MPa；Ni，Nj為與N相鄰最接近的循環(huán)數(shù)；Si，Sj為與Ni，Nj對應(yīng)的許用循環(huán)數(shù)，Si>S>Sj。

將表2中數(shù)據(jù)以及按照式（3）插值所得數(shù)據(jù)，按要求輸入到ANSYS軟件的材料性能數(shù)據(jù)庫中，以用于長管拖車氣瓶的疲勞分析。

3長管拖車天然氣瓶疲勞分析

長管拖車天然氣瓶的疲勞載荷主要來自于2個方面，一方面在于充氣過程中壓力的升降，壓力的變化范圍為2～20 MPa；另一個疲勞載荷是道路運(yùn)輸過程中顛簸造成的慣性載荷。在2組疲勞載荷中，由內(nèi)壓引起的疲勞載荷變化范圍恒定，在整個長管拖車天然氣瓶的壽命周期內(nèi)循環(huán)次數(shù)較少，但由于載荷幅值很大，可能造成低周應(yīng)變疲勞，需要按照有限疲勞壽命設(shè)計。而道路顛簸造成的慣性載荷在壽命周期內(nèi)加載次數(shù)很大，必須按照無限壽命設(shè)計。在疲勞設(shè)計中，無限壽命設(shè)計要求結(jié)構(gòu)所承受的載荷幅值低于疲勞極限，在實驗中一般承受循環(huán)數(shù)超過106則認(rèn)為具有無限疲勞壽命。

3.1內(nèi)壓作用下長管拖車的有限疲勞壽命設(shè)計

疲勞分析是在靜載荷分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，靜強(qiáng)度分析可以得到不同載荷幅值條件下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況。首先對模型進(jìn)行內(nèi)壓作用下的長管拖車氣瓶靜強(qiáng)度分析，然后針對靜強(qiáng)度分析的結(jié)果進(jìn)行疲勞分析。靜強(qiáng)度分析中，在兩端法蘭盤外表面施加固定約束。根據(jù)JB 4732—1995規(guī)定，材料模型采用線彈性模型；采用Mises應(yīng)力進(jìn)行疲勞分析[12]。疲勞分析中涉及到的參數(shù)主要包括應(yīng)力比、加載方式以及平均應(yīng)力的影響等[13]。根據(jù)實際工況，本文中選取應(yīng)力比為0.1，加載方式為正弦加載，同時使用Goodman的平均應(yīng)力修正方法[14]。采用上述設(shè)置進(jìn)行長管拖車天然氣瓶的疲勞分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5內(nèi)壓作用下長管拖車氣瓶疲勞壽命分布

Fig.5Fatigue life distribution of a tube trailer cylinder under internal pressure

由圖5可知，長管拖車天然氣瓶的疲勞壽命最高為106次，位于兩端收口的封頭處，106次表示無限疲勞壽命；疲勞壽命最低處位于兩端開外螺紋處，壽命為19 847次，雖然不滿足無限疲勞壽命條件，但對于長管拖車而言，這一壽命也滿足工作要求。為了進(jìn)一步明確收口處的疲勞壽命分布情況，將這一位置疲勞壽命分布圖放大如圖6所示。由圖6可知，收口處由于存在應(yīng)力集中，疲勞壽命明顯低于其他部位，處在1.98×104到1.75×105次之間。

氣瓶內(nèi)外表面的疲勞壽命分布曲線如圖7所示。可知疲勞壽命較低的部位僅存在于氣瓶收口外螺紋處，收口封頭處的疲勞壽命達(dá)到了無限壽命，而整個氣瓶瓶身部位內(nèi)表面疲勞壽命明顯低于外表面。

根據(jù)分析，內(nèi)壓作用下，除兩端封頭外，氣瓶大部分部位均不滿足無限疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)，但大部分部位疲勞壽命超過20 000次，能夠滿足正常工作要求。

圖6收口處疲勞壽命分布

Fig.6Fatigue life distribution at the convergent place

圖7長管拖車氣瓶內(nèi)、外表面疲勞壽命分布

Fig.7Fatigue life distribution of a tube trailer

cylinder on inner and outer face

3.2慣性載荷作用下長管拖車的有限疲勞壽命設(shè)計

由于道路顛簸，使得慣性載荷發(fā)生頻率較高，因此必須采用無限壽命設(shè)計，即保證氣瓶任何部位的疲勞壽命都達(dá)到106次，否則就存在發(fā)生疲勞失效的風(fēng)險。為了明確慣性載荷的影響，采用垂直于氣瓶軸向方向的加速度作為慣性載荷進(jìn)行分析，加速度的最大數(shù)值設(shè)定為ag=10～30 m/s2[15]。根據(jù)天然氣瓶的承載情況，由于重力的存在，慣性載荷不會低于重力加速度g，因此疲勞分析中的慣性載荷變化范圍為g～ag。針對不同ag的疲勞分析結(jié)果見表3。

慣性載荷分別為18，20和30 m/s2時長管拖車天然氣瓶的疲勞壽命分布如圖8所示。

根據(jù)表3和圖8可知，當(dāng)加速度為10 m/s2時，天然氣瓶的疲勞壽命為無限壽命，不會發(fā)生疲勞失效；當(dāng)加速度超過18 m/s2時，天然氣瓶的疲勞壽命逐漸由無限壽命向有限壽命過渡；當(dāng)加速度超過20 m/s2時，天然氣瓶進(jìn)入有限壽命階段，氣瓶在道路顛簸載荷的作用下會發(fā)生疲勞失效；當(dāng)加速度進(jìn)一步增加時，隨著加速度的增加，天然氣瓶的疲勞壽命迅速降低，當(dāng)加速度達(dá)到30 m/s2時氣瓶的疲勞壽命僅為3 300多次，無法滿足安全運(yùn)行的要求。

表3慣性載荷下天然氣瓶疲勞壽命分布

Tab.3Fatigue life distribution of a tube trailer cylinder under inertial load

慣性載荷ag/（m·s-2）最大疲勞壽命/次最小疲勞壽命/次有限壽命/無限壽命10106106無限壽命12106106無限壽命14106106無限壽命16106106無限壽命18106106無限壽命201061.538 0×105有限壽命221065.074 6×104有限壽命241062.130 8×104有限壽命261061.150 9×103有限壽命281066.122 0×103有限壽命301063.355 1×103有限壽命

圖8慣性載荷作用下天然氣瓶疲勞壽命分布

Fig.8Fatigue life distribution of a tube trailer cylinder under inertial load

4結(jié)論

1）根據(jù)長管拖車天然氣瓶的實際工作狀況，設(shè)定內(nèi)壓變化幅度為2～20 MPa，并據(jù)此進(jìn)行疲勞壽命的分析。結(jié)果表明，天然氣瓶的最低疲勞壽命為19 847次，位于瓶口與法蘭連接的應(yīng)力集中部位。這一疲勞壽命雖然不滿足無限壽命條件，但能夠滿足實際生產(chǎn)的要求。

2）設(shè)定垂直于軸向的最大加速度為10～30 m/s2，進(jìn)行慣性載荷作用下的疲勞壽命分析。結(jié)果表明，在加速度小于18 m/s2時，天然氣瓶滿足無限疲勞壽命條件；當(dāng)加速度大于20 m/s2時，天然氣瓶進(jìn)入有限疲勞壽命階段，且隨著加速度的增加疲勞壽命逐漸降低。因此在道路運(yùn)輸過程中要盡量降低運(yùn)行速度，防止過大的垂直向加速度造成疲勞破壞。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]陳希. 我國天然氣發(fā)展問題與對策思考[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(jì)（學(xué)術(shù)版）， 2011 （2）： 123-126.

CHEN Xi. Problems and countermeasures of the natural gas development in China[J]. Ecological Economy （Academic Version）， 2011（2）： 123-126.

[2]施然. 天然氣儲存技術(shù)綜述[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2013 （17）： 49.

SHI Ran. Review of natural gas storage technology[J]. China Journal of Petroleum and Chemical Industry Standard and Quality， 2013 （17）： 49.

[3]王麗娜. 壓縮天然氣運(yùn)輸和長管拖車制造及檢驗[J]. 河北工業(yè)科技， 2011， 28（1）： 52-54.

WANG Lina. CNG transportation and the manufacture and inspection of tube trailer[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Techno-logy， 2011， 28（1）： 52-54.

[4]李偉， 鄧貴德， 吉方， 等. 長管拖車應(yīng)用現(xiàn)狀與氣瓶外螺紋磨損統(tǒng)計分析[J]. 化學(xué)工程與裝備， 2014（5）： 8-12.

LI Wei， DENG Guide， JI Fang， et al. Present situation of long tube trailer application and the statistical analysis of the cylinder external thread wear[J]. Chemical Engineering & Equipment， 2014 （5）： 8-12.

[5]張洪. 長管拖車的風(fēng)險預(yù)防[J]. 中國特種設(shè)備安全， 2012， 28（12）： 42-43.

ZHANG Hong. Risk prevention of tube trailer[J]. China Journal of Special Equipment Safety， 2012， 28（12）： 42-43.

[6]楊利芬， 武常生， 杜麗敏， 等. 大容積無縫氣瓶的疲勞壽命[J].中國化工裝備， 2009， 11（3）： 31-35.

YANG Lifen， WU Changsheng， DU Limin， et al. Fatigue life of seamless steel gas cylinder with great volume[J].China Chemical Industry Equipment， 2009， 11（3）： 31-35.

[7]周波. CNG長管拖車的構(gòu)成及運(yùn)用[J]. 技術(shù)與市場， 2014， 21（7）： 50-52.

ZHOU Bo. CNG composition and application of long tube trailer[J]. Journal of Technology and Market， 2014， 21（7）： 50-52.

[8]武常生， 暴志強(qiáng)， 朱海鷹. 天然氣長管拖車氣瓶用材料介紹[J]. 中國化工裝備， 2008 （1）： 23-25.

WU Changsheng， BAO Zhiqiang， ZHU Haiying. The material of CNG tube trailer gas cylinders[J]. China Chemical Industry Equipment， 2008 （1）： 23-25.

[9]蔡昌全， 胡克勤， 胡濱. 基于ANSYS Workbench的CNG長管拖車氣瓶有限元分析[J]. 化學(xué)工程與裝備， 2013（9）： 27-29.

CAI Changquan， HU Keqin， HU Bin. Finite element analysis of CNG long tube trailer gas cylinders based on ANSYS Workbench[J]. Chemical Engineering & Equipment， 2013 （9）： 27-29.

[10]劉猛， 祖炳鋒， 徐玉梁， 等. 基于Pro/E及ANSYS Workbench的柴油機(jī)油底殼設(shè)計[J]. 機(jī)械設(shè)計， 2014， 31（8）： 52-55.

LIU Meng， ZU Bingfeng， XU Yuliang， et al. Diesel engine oil pan design based on Pro/E and ANSYS Workbench[J]. Journal of Machine Design， 2014， 31（8）： 52-55.

[11]JB 4732—1995， 鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

JB 4732—1995， Steel Pressure Vessel Analysis Design Standard[S].

[12]王彥偉， 羅繼偉， 葉軍， 等. 基于有限元的疲勞分析方法及實踐[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造， 2008（1）：22-24.

WANG Yanwei， LUO Jiwei， YE Jun， et al. FEA based fatigue analysis and its application[J]. Machinery Design & Manufacture， 2008 （1）： 22-24.

[13]李舜酩. 機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2006.

LI Shunming. Mechanical Fatigue and Reliability Design[M]. Beijing： Science Press， 2006.

[14]郭佳雷， 龐樂. 平均應(yīng)力修正法在汽輪發(fā)電機(jī)組軸系應(yīng)力計算中的應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電， 2012， 41（2）： 68-71.

GUO Jialei， PANG Le. Application of mean stress correction method in shafting stress calculation for tube-generator set [J]. Journal of Thermal Power Generation， 2012， 41（2）： 68-71.

[15]徐建喜， 王志輝. 車載雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)的慣性載荷研究[J]. 機(jī)械制造， 2009， 47（12）： 23-24.