天然氣共軌管和雙壁氣管的可靠性設(shè)計

0 前言

船舶動力由于運行場所的特殊性對安全性的要求很高。船舶的航行、轉(zhuǎn)向、靠港、停泊等都需要發(fā)動機(jī)提供動力源，無法像陸用車輛一樣采用簡單的剎車機(jī)構(gòu)。在急流和有風(fēng)浪的情況下，船舶一旦失去動力會導(dǎo)致傾覆危險。另外，船用發(fā)動機(jī)一旦發(fā)生火災(zāi)對人員安全的威脅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸用動力裝置，因此《天然氣燃料動力系統(tǒng)船舶預(yù)設(shè)指南》對船用天然氣發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)的可靠性提供了嚴(yán)格的要求。

語音是英語學(xué)習(xí)的重點和難點。然而，目前對語音教學(xué)的研究卻少之又少。英漢語音的比較研究、對比教學(xué)實屬必要。

ABAQUS是目前應(yīng)用最為廣泛的有限元軟件之一，可以用于彈性塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)和熱力學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)的計算分析。ABAQUS的Standard模塊主要應(yīng)用在靜態(tài)問題和低速動態(tài)工程例子的求解，它可以提供高精度的應(yīng)力解決方法。本章內(nèi)容利用ABAQUS軟件對天然氣共軌管和天然氣高壓雙壁氣管開展靜強(qiáng)度的有限元分析。根據(jù)實際情況設(shè)置計算部件的邊界條件，計算出了其應(yīng)力分布狀況，分析計算結(jié)果，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，選擇了合適的材料，使天然氣共軌管及高壓氣管滿足了船規(guī)要求。

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1 天然氣共軌管的強(qiáng)度計算

1.1 天然氣共軌管計算模型的建立

根據(jù)天然氣供氣集成箱安裝空間的需要及天然氣共軌管內(nèi)壓力波動的計算分析

，對天然氣共軌管建立幾何模型，進(jìn)行計算校核。圖1.1所示為天然氣共軌管的幾何模型，模型包括入口、共軌管體和6個出口三部分。

1.2 天然氣共軌管計算邊界條件

壁厚增加后的共軌管外表面的變形量及應(yīng)力分布如圖2.1-圖2.2所示。圖中數(shù)據(jù)顯示天然氣共軌管厚度增加后外表面以及內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變的分布規(guī)律同原方案相同，但是幅值減小效果明顯。最大變形量從1.687×10

mm降低到1.05×10

mm，比原始方案減小了37.7%。最大應(yīng)力數(shù)值從219.8MPa降低到178MPa。

4）虛擬的實驗環(huán)境能向具體的實驗者提出具有針對性的實驗要求，并可以滿足不同類型的實驗。在實踐教學(xué)中，學(xué)生或教師可根據(jù)不同課程或不同章節(jié)的實驗參數(shù)與實驗要求，定制不同的虛擬實驗產(chǎn)品或設(shè)備和實驗場景，有助于學(xué)生加深對機(jī)械專業(yè)課實踐環(huán)節(jié)的切實認(rèn)知程度。

為了防止天然氣共軌管在使用過程中因震動而損壞

，實際安裝中，進(jìn)口部分和6個出口部分利用定位裝置進(jìn)行限制，同時計算強(qiáng)度滿足要求后可以在兩端焊接合適的螺紋安裝搭子。主要計算天然氣共軌管是否能夠承受管內(nèi)高壓氣體機(jī)力的作用，因此根據(jù)需要對模型施加如下約束條件：

(1)平動和轉(zhuǎn)速自由度的約束?？紤]到進(jìn)口和出口分別和相應(yīng)管路連接，因此在氣體的進(jìn)口位置和6個出口位置施加約束，選擇此處的節(jié)點限制其X、Y、Z的平動自由度及繞X軸、Y軸、Z軸的轉(zhuǎn)動自由度。約束位置如圖1.2所示。

則材料1在船舶管路中許用應(yīng)力為288.9MPa，材料2在船舶管路中許用應(yīng)力為113.9MPa。

1.3 天然氣共軌管計算結(jié)果分析

鑒于該發(fā)動機(jī)為船用主推動力裝置，按照天然氣燃料動力船舶規(guī)范中對于鋼制管路許用應(yīng)力的要求應(yīng)取Rm/2.7或Re/1.8計算值的較小者。

3.3.1 雙壁管內(nèi)層管應(yīng)力分析

式中：Rm—室溫下材料的規(guī)定最低抗拉強(qiáng)度，N/mm

；

Re—室溫下材料的規(guī)定最低屈服強(qiáng)度，N/mm

。如在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上無明顯的屈服應(yīng)力，則可采用0.2%條件的驗證應(yīng)力。

(2)天然氣共軌管受到高壓氣體壓力，這個氣體壓力是面壓力，選擇整個共軌管的內(nèi)表面進(jìn)行加載，因設(shè)計具有一定的安全系數(shù)，加載過程中不考慮天然氣噴射過程引起的軌內(nèi)壓力波動，按最大使用壓力30MPa進(jìn)行加載。

原始方案及共軌管加厚方案都顯示在共軌管管體和進(jìn)、出口岐管交接處存在應(yīng)力較大的區(qū)域，在此時設(shè)計圓角，使其過度平滑，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。在主管管體和岐管處使用半徑為2mm的圓角過渡。圖2.3及圖2.4管內(nèi)壁及截面的應(yīng)變及應(yīng)力分布則表明，最大變形量從1.687×10

mm降低到1.581×10

mm。最大應(yīng)力數(shù)值從219.8MPa降低到211MPa，減小幅度不明顯。

圖3.2為內(nèi)管及外管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，外管的外徑為12mm、壁厚1mm，內(nèi)管的外徑為8mm、壁厚1.5mm。

夜靜更深，她依然無法入睡。風(fēng)將她的一顆心一層一層地剝開來，像剝洋蔥皮一樣，每剝一層她就流一次淚，痛楚的淚，懺悔的淚。她的眼前晃動著風(fēng)影落寞而傷感的臉孔，還有那雙似乎永遠(yuǎn)迷茫的眼睛。半夜，窗外響起滴滴答答的雨點聲，天空下了一場雨，她聽著檐前的水滴寂寞地敲打著階前的青石板，直到東方拂曉，天色微明，她才迷迷糊糊地睡了過去。剛睡下，就被一場惡夢驚醒了，夢中那個耽于幻想的風(fēng)影站在她的面前，眼睛里滿滿的，風(fēng)吹著他薄薄的衣衫，風(fēng)過處了然無痕。再一看，風(fēng)影的手中居然捏著一把刀子，刀尖上有紅色的液體，正一滴一滴地往下滴落。漸漸地，風(fēng)撕裂了鉛灰色的云，在東方，在天邊，出現(xiàn)了一道桔紅色的曙光。

對比兩種材料的許用應(yīng)力，接口處的應(yīng)力值沒有超過材料1的許用值，遠(yuǎn)高于材料2的許用值，存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，為了減小應(yīng)力集中現(xiàn)象對共軌管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 天然氣共軌管優(yōu)化方案

根據(jù)天然氣共軌管的結(jié)構(gòu)設(shè)計兩種優(yōu)化方案，增加共軌管的厚度及進(jìn)、出口處加圓角。共軌管容積的計算結(jié)果表明，容積的變化影響到軌內(nèi)壓力波動的幅值

，因此不改變共軌管的內(nèi)徑，根據(jù)共軌管模具的限制其厚度在原來基礎(chǔ)上增加1.5mm。

計算過程中首先設(shè)置天然氣共軌管的材料參數(shù)，天然氣共軌管的材料1為F38MnVs、材料2為0Cr18Ni9兩種，表1.1所示為材料的力學(xué)參數(shù)。

圖1.3為天然氣共軌管原始方案的外部Mises應(yīng)力分布云圖。如圖中的變形量所示，進(jìn)出口接管的變形量最小，從共軌管管體中間向外變形量逐漸增加，進(jìn)出口安裝處和共軌管主體連接部位變形量的梯度較大。圖1.3中的應(yīng)力分布數(shù)值顯示，由于天然氣進(jìn)口接頭和出口接頭壁厚很大，其外表面的Mises應(yīng)力數(shù)值較小低于37MPa，天然氣共軌管兩端的應(yīng)力數(shù)值也較小。共軌管體外表面的應(yīng)力為54.9-73.3MPa,管體和進(jìn)口及出口相連接的部位應(yīng)力數(shù)值較大為73.3-91.6MPa，這是由于進(jìn)、出口的剛度大變形小，它和管體的變形量差別較大導(dǎo)致。

因此，采用加大天然氣共軌管壁厚的方案對應(yīng)變及應(yīng)力的改善較增加圓角效果好，同時增加圓角方案加工較困難，因此采用增加壁厚的方案。材料1的許用應(yīng)力值滿足強(qiáng)度要求，材料2不滿足，選用材料1作為共軌管的材料。

3 天然氣高壓雙壁氣管強(qiáng)度校核

3.1 天然氣高壓雙壁氣管模型建立

天然氣共軌管和噴射器之間的雙壁管，共6根雙壁管，由共軌管向發(fā)動機(jī)供給高壓天然氣。雙壁管的外壁在內(nèi)管發(fā)生泄漏的情況下，防止天然氣向發(fā)動機(jī)艙內(nèi)泄漏，需要按最惡劣的情況進(jìn)行校核。

雙壁管的三維幾何模型如圖3.1所示，為了保證各缸噴射量的一致性，雙壁管的長度一樣。每缸共軌管出口和噴射器入口的距離不同，因此將不同缸的雙壁管彎成不如的形狀，彎折處的曲率不同，使管路內(nèi)部的應(yīng)力分布，每缸的雙壁管的內(nèi)管和外管都需要單獨計算校核。

素琴即無弦琴，該典與陶淵明相關(guān)，《晉書·隱逸傳·陶潛》說陶潛：“性不解音，而畜素琴一張，弦徽不具，每朋酒之會，則撫而和之曰：‘但識琴中趣，何勞弦上聲’”[4]。陸游認(rèn)為彈琴能夠悅性靈、養(yǎng)心、排悶，“舉酒和神氣，彈琴悅性靈”[3]831，“琴調(diào)養(yǎng)心安澹泊，爐香挽夢上青冥” [3]262，“援琴排遣悶，合藥破除閑”[3]730。

取天然氣共軌管中間截面圖，分析內(nèi)壁及管路截面的應(yīng)變及應(yīng)力數(shù)值。圖1.4為原始方案中間截面應(yīng)變圖，圖1.5為原始方案中間截面Mises應(yīng)力分布圖。如圖中應(yīng)變數(shù)據(jù)所示，天然氣共軌管的最大變形量出現(xiàn)在兩段的堵頭處，兩段后續(xù)安裝傳感器等部件。截面處的變形量基本以進(jìn)氣口的中心對稱，由于加載的是面載荷，圓周方向變形量的差別不大，主要是沿天然氣共軌管軸線的變形量存在差別，即共軌管被拉長。如圖1.5中的應(yīng)力數(shù)據(jù)及分布規(guī)律，天然氣共軌管內(nèi)壁面遠(yuǎn)離進(jìn)出口位置的應(yīng)力分布較為均勻，在91-128MPa范圍內(nèi)；最大應(yīng)力值出現(xiàn)在共軌管進(jìn)口及出口的尖角處，最大值為219.8MPa。這這是因為尖角處應(yīng)力集中，受到共軌管管體內(nèi)部壓力及進(jìn)、出口岐管內(nèi)部壓力的共同作用，使其應(yīng)力值最高。

護(hù)理人員應(yīng)向病人介紹飲食治療的目的、意義及具體措施,使病人意識到飲食控制的重要性,只有積極主動地配合,才能取得最佳的治療效果。

將雙壁管的幾何模型劃分計算網(wǎng)格，考慮到計算模型結(jié)構(gòu)簡單，六面體網(wǎng)格的計算精度高、收斂性好，因此為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模型劃分成尺寸較小的規(guī)則六面體網(wǎng)格。圖3.3所示為雙壁管的計算網(wǎng)格。

3.2 計算約束及邊界條件

雙壁管的外層管在發(fā)動機(jī)正常工作是基本不受力，但是一旦內(nèi)層管發(fā)生破裂，會迅速在內(nèi)層管和外層管之間的空腔內(nèi)建立壓力，按最惡劣的情況加載壓力，即外層管內(nèi)表面的載荷也為29.8MPa，圖3.4為管路約束示意圖。

3.3 高壓天然雙壁氣管結(jié)果分析

目前，CAE技術(shù)被廣泛應(yīng)用，CAE軟件中Moldflow由于獨特的求解技術(shù)和精確的分析結(jié)果，被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、材料、通訊、電器等行業(yè)[1]。Moldflow可以幫助工程技術(shù)人員優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)模具設(shè)計，縮短設(shè)計周期，降低生產(chǎn)成本[2]。開關(guān)按鈕既是外觀件，同時也是產(chǎn)品的功能件，因此對塑料的成型要求較高。通過數(shù)值仿真分析，可以先期驗證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，找出產(chǎn)品設(shè)計中的不足，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文屬于嘗試性的探討，以期引起國家和政府有關(guān)部門重視構(gòu)建新時代下較完善的中國海外投資安全風(fēng)險國內(nèi)、國際法律防范體系和法律制度。

作為一種全新的生命哲學(xué)，“非線性”是數(shù)碼照片的最重要優(yōu)勢和特性之一。里奇認(rèn)為，由于超文本數(shù)碼環(huán)境下的非線性特征，攝影師與觀者都是照片的生產(chǎn)者，也是合作者。

分析各內(nèi)層管的應(yīng)力分布，管路內(nèi)表面應(yīng)力較高，外表面的應(yīng)力較低，直管部分管路截面應(yīng)力的梯度比價均勻，外壁面直管部分的Mises應(yīng)力在18-25MPa范圍內(nèi)，內(nèi)壁面的應(yīng)力一般大于40MPa。對比管路彎曲部分的Mises應(yīng)力和第一主應(yīng)力，Mises應(yīng)力均大于第一主應(yīng)力，且第一主應(yīng)力的數(shù)值為正，說明管路總體上受拉應(yīng)力的作用。Mises應(yīng)力和最大第一主應(yīng)力在管路的彎曲部分出現(xiàn)極大值，極大值的數(shù)值與彎曲部分的曲率有關(guān)，圖中數(shù)據(jù)顯示彎曲部分內(nèi)側(cè)面所承受的拉應(yīng)力都較大，外側(cè)承受應(yīng)力則較小。

表3.1為不同雙壁管內(nèi)管Mises和第一主應(yīng)力的數(shù)值，如表中數(shù)據(jù)所示，其應(yīng)力值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料2的許用應(yīng)力113.9MPa，雙壁管的內(nèi)層管也可選用材料0Cr18Ni9。

3.3.2 雙壁管外層管應(yīng)力分析

分析各內(nèi)層管的應(yīng)力分布，由于外層管的內(nèi)徑大，在同樣面壓力的作用下，施加在外層管壁上的力增加，同時外層管的壁面厚度僅為內(nèi)層管的2/3,因此其應(yīng)變及應(yīng)力數(shù)值較內(nèi)層管大。分析Mises應(yīng)力及第一主應(yīng)力的分布規(guī)律，外層管和內(nèi)層管基本類似。

表3.2為不同缸雙壁管外管Mises和第一主應(yīng)力的數(shù)值，如表中數(shù)據(jù)所示其應(yīng)力值最大為172.1MPa，其應(yīng)力值均高壓材料2的許用應(yīng)力113.9MPa，小于材料1的許用應(yīng)力288.9MPa，雙壁管的外層管需要選用材料F38MnVs。

4 小結(jié)

本章利用有限元計算軟件ABAQUS建立了天然氣共軌管的有限元計算模型，分析了靜應(yīng)力，主要結(jié)論結(jié)論如下：

(1)天然氣共軌管體的應(yīng)力分布較均勻，共軌管體和進(jìn)、出口岐管連接部位的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在天然氣進(jìn)口和出口小孔的周圍；對比分析了采用加厚共軌管和在小孔處倒圓角方式對應(yīng)力的影響，結(jié)果表明增加共軌管厚度效果顯著；根據(jù)計算的最大應(yīng)力數(shù)值選定F38MnVs為天然氣共軌管的材料。

(2)分析了天然氣雙壁管內(nèi)管和外管的應(yīng)力分布，結(jié)果表明：內(nèi)層管和外層管的應(yīng)力分布規(guī)律類似，最大應(yīng)力的位置都是出現(xiàn)在彎折處；內(nèi)層管的厚度大、內(nèi)徑尺寸小，材料0Cr18Ni9可以滿足強(qiáng)度要求，外層管的內(nèi)徑大，承受的壓力高，且壁厚薄，高強(qiáng)度的F38MnVs滿足許用應(yīng)力限值。

[1]楊立平.4SH-N 天然氣發(fā)動機(jī)工作過程優(yōu)化及排放過程[D].長春:吉林大學(xué),2008.

[2]雷偉,甘少煒.周國強(qiáng)船用雙燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析[J],船海工程,2016.

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