基于ANSYS Workbench氣瓶增壓管斷裂分析及優化

劉明星，鄭甲紅，徐童非，趙奎鵬

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

隨著國家新興能源戰略結構調整，一大批新興能源項目得到快速發展，其中液化天然氣（LNG）以其價格相對低廉、無毒環保、便于貯存運輸、安全性好、間接投資少等優勢在眾多行業得到了廣泛推廣應用。尤其是近兩年我國出現大范圍的霧霾、揚塵等惡劣天氣，推廣清潔能源已成為我國治理環境污染、建設美好家園勢在必行的一項“國策”[1]。

然而LNG在我國的研究應用相對國外時間不是很長，技術也不夠成熟。其中穿過LNG氣瓶真空夾層的增壓管經常出現斷裂失效導致氣瓶真空度下降乃至失真空，從而使LNG氣瓶系統徹底失效、報廢對客戶造成不可挽回的損失。因此研究增壓管斷裂機理，找出應對措施優化管路結構，減少其對系統的負面影響保證維持氣瓶真空度，將具有十分重要的經濟意義。

1 增壓管斷裂分析

對于一般的管路而言，常見的失效形式有斷裂、裂紋、塑性變形、磨損、腐蝕、點蝕、表面損傷、過量彈性變形等。對于真空夾層中的管道，任何微小的缺陷都將導致真空度上升乃至失真空，這對于氣瓶的影響就是導致氣瓶直接報廢，損失很大[2]。

分析現有增壓管模型，一般的應力集中易發生于管件連接處及拐彎處。根據現場解剖氣瓶對多個失效氣瓶的分析，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內膽連接處、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 增壓管強度校核及有限元模型建立

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

表1 06Cr19Ni10的材料力學性能

2.1 強度校核

增壓管處于真空夾層中，設管道內部流體工作壓力1.59MPa，瓶體系統設計壓力為3.2MPa，考慮一安全系數1.2，則其承受壓力為3.84MPa。管道外壁為近似真空，對于管道壁近似壓力0.1MPa，則總壓力可圓整為4MPa。

根據材料力學，假設該管道各處壓力相等，則管道壁受到拉應力，計算[3]：

式中：Fs為有效作用力，A0為作用面積，As為壓強有效作用面積，p為管道施加計算壓強，d為管道內徑，l為管道計算長度，t為管道壁厚。

2.2 建立增壓管有限元模型

通過三維繪圖軟件SolidWorks對失效增壓管進行三維建模[4]，增壓管屬于薄壁壓力管道，因此采用殼單元SHELL181，設定單元尺寸2mm，經過Workbench劃分網格[5]后具有78693個節點及44733個單元，如圖2所示。

3 增壓管應力分析及模態分析

3.1 應力分析

由于氣瓶的內外膽結構，內膽與外膽支撐連接要考慮到傳熱因素，因此內外膽在汽車行進中不可避免會出現相對位移及旋轉，而增壓管連接著內外膽[6]。對此增壓管工況可簡單劃分為：X方向強制位移，Y方向強制位移，Z方向強制位移，Y+X方向強制位移，Y+Z方向強制位移。其中旋轉可認為兩個方向的強制位移。對圖2模型按工況各方向施加10mm強制位移，接頭處施加固定約束，其等效應力云圖如圖3所示。

圖2 增壓管模型及網格劃分

通過對等效應力云圖分析，發現在強制位移作用下，五種工況下應力較大區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向反應的是內外膽相對旋轉工況，并且該工況下應力明顯高于其他工況數倍，符合前述對增壓管的斷裂失效分析。

3.2 模態分析

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

圖3 等效應力云圖

表2 前六階模態頻率

圖4 前三階模態振型圖

分析發現一階模態頻率為596.47Hz，增壓管長度較短且兩端均焊接固定，相對汽車整體振動頻率較高，一般不會發生共振破壞增壓管，故可不再考慮。

4 增壓管優化及應力模態分析比較

經過前述計算分析可知，經常發生斷裂的增壓管與接頭焊接處存在著接觸應力、焊接應力以及變形后較大的集中應力，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大的集中應力。優化后的模型及網格劃分如圖5所示。同前述施加約束及強制位移，優化后等效應力云圖如圖6所示。

表3 各種工況下最大應力對比（MPa）

圖6 優化后的等效應力云圖

通過應力云圖對比優化前后增壓管各工況下的最大應力如表3所示，在X向、Z向及Y+X向三種工況下應力相對Y向及Y+Z向較小，優化前后基本上沒有很大變化，而Y向及Y+Z向在優化后應力明顯較小，應力最大值減小最大達到69.4%，可見去除90o焊接接頭對于減小旋轉工況下最大集中應力具有明顯效果。

優化后的模態分析與優化前相比，一階模態頻率由596.47Hz變為335.64Hz，最大變形量由3548.7變為119.27，減小幅度達到96%，優化效果在數值上還是比較明顯。

在經過氣瓶一些列如跌落、火燒、撞擊、振動實驗后，某公司實際試制投入市場以來三個月，試制氣瓶在真空度方面未發現任何異常。

5 結論

通過該研究分析及實驗表明，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力，大大減小了最大集中應力，應力最大值減小最大達到69.4%，可見去除90o焊接接頭對于減小旋轉工況下最大集中應力具有明顯效果。通過三維軟件建模，導入商業有限元分析軟件ANSYS進行應力、模態分析，不僅可以進行精確計算還能有效減少產品改進實驗次數、縮短產品進入市場周期，切實提高企業個體市場競爭力。

[1]楊德志,彭雪鋒,許淵,秦峰.我國LNG產業發展的問題及對策研究[J].天然氣技術與經濟,2013,7(1):3-5.

[2]丁伯民,曹文輝,等.承壓容器[M].北京:化學工業出版社,2008.3.

[3]劉鴻文.材料力學Ⅰ[M].北京:高等教育出版社,2004.1.

[4]趙罘,楊曉晉,劉玥.SolidWorks2013中文版機械設計從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2013.4.

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

[6]魏冬雪.低溫液化氣體儲罐強度分析和結構改進[D].北京:北京化工大學,2010.

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