大型立式液氫容器模態及地震響應譜分析

妙 叢 張振揚 解 輝 張 震

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

氫能屬于清潔能源且可再生，因此如何利用好氫能是近年來全球學術界研究的熱點[1]。“制-儲-運-加”是氫能綜合利用的四大環節，每個環節都有其研究的難點，都對降低氫能利用成本有著至關重要的影響[2-3]。本文研究的液氫容器是氫能“儲”環節的重要裝備之一。文章主要介紹大型立式液氫容器自身模態和受到地震載荷情況下所受應力的情況，并通過應力分析提出結構改進意見。

1 液氫容器建模

內外罐之間的傳力連接主要是在內外容器上封頭頂部，而它們之間的結構是柔性連接，相互之間傳遞的力很小，可以忽略不計[4]，因此可以單獨建立內外容器模型進行有限元分析計算。

內容器承載較大且載荷復雜，又是重點考察對象，故選用ANSYS Solid95 實體單元類型構建模型，以確保內容器計算數值的精確性[5]。

用ANSYS Shell63 構建外容器模型，以便了解其整體應力分布。內容器Solid95 實體有限元模型中節點數為86 325，單元數為16 895。外容器Shell63殼體有限元模型中節點數為10 558，單元數為9 669。

通過調整內外容器的密度來補償附件帶來的影響。內容器空載時密度調為9 006 kg·m-3，模擬質量為25.20 t。外容器密度調為10 850 kg·m-3，模擬質量為23.11 t。

內容器裝滿液氫時，所盛液氫質量相對于罐體很輕[6]，故進行簡化處理，把液氫質量平攤到罐體上，密度調為10 552 kg·m-3，模擬質量為29.11 t（實際質量為28.605 t）。

2 液氫容器材料參數輸入

液氫容器材料參數見表1[7]。

表1 液氫容器材料輸入參數

地震引起的水平加速度計算方法由以下方法計算。

任意高度hK處的集中質量mK引起的基本振型水平地震力的計算公式為[7-8]：

式中：FK1為集中質量mK引起的基本振型水平地震力，N；CZ為綜合影響系數，取CZ=0.5；mK為距地面hK處的集中質量，kg；α1為對應于塔器自振周期T1的地震影響系數α值；α為地震影響系數；αmax為地震影響系數的最大值；ηK1為基本振型參與系數。

基本振型參與系數ηK1的表達式為[9]：

取n=1，則有ηK1=1。此標準中，8 級地震時αmax=0.45，α1取最大值0.45。水平加速度a=0.5×0.45×1×g=2.205 m·s-2。

3 內容器模態分析

內容器空載工況下第5 階非零模態見圖1。由圖1可以得出頻率下罐體形態，詳見表2。內容器滿載工況下前5 階非零模態震動形態見表3。對比表2 和表3可以發現，液氫容器內容器空載和滿載工況下，模態頻率和震動形態也一致[10-14]。

4 外容器模態分析

外容器前5 階頻率和振型詳見表4。由模態計算結果看出，內外罐第一階模態頻率小于4 Hz，易受風載影響，建議增加地腳螺栓的數量，以提高剛度[15-17]。

表2 內容器空載工況下前5 階非零模態

表3 內容器滿載工況下前5 階非零模態

表4 外容器前5 階非零模態

5 地震載荷下內外容器受力分析

由圖2 ～圖4 可知：內容器空載狀態下（地震載荷情況下），最大應力發生在支柱拐點處，最大值為74.475 MPa；內容器滿載工況下（考慮地震載荷），最大應力發生在支柱拐點處，最大值為160.479 MPa；外容器（考慮地震載荷）最大應力發生在支柱支撐連接處，最大值為105.936 MPa[18-19]。

6 結論

經過對液氫容器內外容器模態和地震載荷仿真分析，得到如下結論：

（1）內外罐第一階模態頻率小于4 Hz，易受風載影響，建議增加地腳螺栓的數量，以提高剛度；

（2）內容器滿載工況下（考慮地震載荷），最大應力發生在支柱拐點處，最大值為160.479 MPa，建議此處增加補強，比如增設拐點筋板（周圈均布3 ～6個）或者增加加強圈；

（3）外容器（考慮地震載荷）最大應力發生在支柱支撐連接處，最大值為105.936 MPa，建議增加支柱厚度，比如增設加強圈。