LNG氣瓶及支架設計

吳季

【摘 要】LNG顧名思義，叫做液化天然氣。目前液化天然氣被認為是一種具有清潔功能的高效潔凈能源。由于液化天然氣的各種特性，比如燃燒效率高，方便，價格合理，燃燒充分，清潔干凈，所以使得天然氣成為國家大力發展的一種能源。LNG氣瓶和支架的設計，重點放在支架的設計上，順帶著對氣瓶作一些簡單的介紹。氣瓶也就是一種特制的，材料大多數是鋼制的，常用來貯存，運輸天然氣的一種大型容器。支架大多數是鋼材或者鋁材的一種支撐器材，多用來固定，支撐，運輸裝載著液化天然氣的氣瓶，對氣瓶起著保護的作用，防止氣瓶的跌落，滑倒，位移。此次設計對鋁材的支架進行重點的研究，運用三維CATIA設計出支架的具體模型，并且將三維模型轉化為二維圖形，對支架的零件進行拆分，對各個零件進行分析，在支架的外觀，材料，制造工藝等方面做出闡述，提出自己的見解。并且在實驗的基礎上，對鋁材和鋼材分別進行實驗，對氣瓶進行正向和側向力的加載，記錄支架和氣瓶的位移變化，從而得出相應的結論。

【關鍵詞】LNG;氣瓶;支架;設計

第一章 LNG得認識

1.LNG介紹

LNG英文全稱是Liquefied Natural Gas，即液化天然氣。液化天然氣就是在天然氣的基礎上，經過深冷工藝，冷卻液化得到的一種液態產物。LNG低溫，氣液比大，所以在和氣態的天然氣相比，能夠高效的用于運輸和儲存。LNG一度被認為是世界上最清潔的化石能源之一，它的含硫量極低，若用于發電和生活燃料的燃燒，將極大的減少酸雨，有利于保護環境，節約化石燃料的燃燒。同時它的燃點較高，從燃燒角度來看，相對的更加充分。它主要用于大中小城市的燃料供給，工廠的氣源，車船飛機的交通燃料，分布式能源系統的循環利用。

LNG的發展影響著國家的經濟命脈和一系列工業機械的走向。能源轉型已經成為我國經濟和能源發展的根基，隨著低碳方針和大氣霧霾方針的出臺，相應的排放標準顯著提高。我國的LNG的發展，當前亟需考慮的就是價格過高和供給不平衡的問題，對此國家不斷的出臺了一系列的設計方案和應對措施。從國內LNG的制定標準，材料的選擇以及氣瓶的硬度來看，我國規定材料進入制造廠后要進行化學成分的復驗，鋼錠進行低倍組織檢驗，無縫鋼管進行無損傷檢驗，而國外標準沒有這項要求，這和國內外鋼材質量水平有關。因此在國內外的鋼瓶質量標準上，中國還需要提高標準要求。相信隨著我國經濟的發展轉變方式和對能源多樣性的需求上，關于液化天然氣的各個方面都能飛速發展起來

2.支架輕量化概念

支架因為是和汽車是配適的，所謂的輕量化也就是指的汽車輕量化。車身輕量化系數公式為：

L=M/CtA。

式中，——L為白車身輕量化系數

——M為白車身骨架重量

——Ct為白車身靜態扭轉剛度

——A為白車身腳印面積。

在保證汽車安全，剛度，NVH等性能提升或者不變的基礎上，通過結構設計和優化，合理的材料選擇，合理的制造工藝等手段，從而達到重量的降低。最后達到節能減排，整車的輕量化，從而使得汽車更加的輕快便捷。

輕量化的等級定義：

第二章 氣瓶及支架設計材料選擇

LNG支架的作用：LNG的支架材料在現在來看，大部分采用鋼材和鋁材來加工制造。其主要作用就是來承載，固定和裝運LNG氣瓶，使得LNG氣瓶更加的穩定牢固，使得氣瓶不易跌落，滑倒和變形。同時支架也注重輕量化的設計，使得運輸更加的輕松便利。

LNG氣瓶的作用：LNG的氣瓶大多數是特制的鋼制容器，其主要的作用就是對天然氣采用深冷工藝，使得天然的從氣態變為液態，從而更好的運輸。因為從化學的角度分析，氣態的天然氣，它所需要的壓力更大，對鋼制的容器要求更高，同時在高溫時，氣態容易發生爆炸等危險，而液態的天然氣就沒有此項的考慮。

材料選擇：初步的材料選擇中，我們可以選擇碳鋼，也可以選擇鋁材來進行設計制造。本課題是對鋁合金支架進行設計制造，從鋁材和鋼材的材料對比中我們不難發現，鋁合金支架比碳鋼支架更耐低溫、耐腐蝕，而且還具有高熱傳導和高比強度性能。當然，鋁合金的支架同時也難免有一些缺點，比如鋁材的價格更高，不耐磨，怕受到撞擊，焊點低，導電性一般，硬度相對的差一點。從制造工藝上看，一個零件的產生基本上分為沖壓工藝，拉伸工藝，彎曲工藝等工藝。沖壓工藝主要的影響性能指標有屈服極限，屈強比，延伸率，厚向異性系數。對于鋼材，在沖壓工藝中常常出現時效失效和表象失效。因為時效的影響，鋼板及鋼帶的力學機能會隨著時間的變化而變差，如屈服強度和抗拉強度的上升，斷后伸長率的下降，成型性能變差，出現拉伸應變，又由于存儲不當，造成鋼板受潮生銹，外力破損、變形等，也容易在鋼廠軋制過程工藝控制部分不足，導致鋼板表面出現凹坑，結疤，裂紋，夾雜，劃傷，壓痕，麻點及氧化色等影響形性及涂，鍍附著力的缺陷，導致金屬容易出現塑性變形。對于鋁合金來說，由于塑形較強，金屬性能較好，不容易出現上述鋼所出現的失效。在拉伸工藝中，鋼材零件由于容易造成材料失穩，拉深件容易起皺，也容易使得材料斷裂或破裂。鋁合金由于是合金，具有綜合各種金屬優良的力學性能，拉伸強度較好。在彎曲工藝中，因為鋼材的支架是焊接，鋁材的支架的螺紋連接，在焊接中，因為是高溫焊接，鋼材容易出現彎曲變形，使得彎曲部分的形狀和尺寸發生變化而與模具的尺寸不一致。在制造工藝上看，選擇鋁材較為有優勢。從原料的成本來看，鋼材比鋁材可能相對的更加節約成本。

第三章 設計實驗數據分析

我們分別設計了同類型的鋁合金及鋼材支架，并對支架進行了實驗以用于檢測支架和氣瓶在不同力的工況下的位移變化情況。在不同的位置擺放位移傳感器，并且對位移傳感器進行調節，然后對支架和氣瓶進行逐力加載，最后記錄實驗數據。以橫軸為偏移量，縱軸為加載力。

根據國家的標準，位移最大量應不超過13mm。從實驗結果我們可以看出，碳鋼和鋁材的支架都是符合國家標準的。而且在5噸力的范圍內，鋁合金支架的偏移量總的來說依舊是小于碳鋼的偏移量。綜合分析，選擇鋁材合金作為支架的材料，更加的合理。

結論：LNG氣瓶和支架的研究對實際的車載天然氣的儲存和運輸有著極大的應用效果，為推廣汽車的輕量化奠定了堅實的基礎。對節約能源，改善大氣質量和環境具有重要的意義。本次實驗的結論顯示，鋁合金的支架應用范圍較廣，使用途徑和優勢更加的明顯，支架的輕量化技術，也是未來的研究方向之一。汽車的輕量化技術是未來的大趨勢，在這樣的一個趨勢下，期待汽車輕量化方向有著更大的突破。相信在未來的電子設備和技術不斷的革故鼎新下，LNG氣瓶和支架的研究會更加的具體化，研究深度也會更加深。

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