储气瓶受力分析的有限元模拟毕业论文

 2022-06-21 11:06

论文总字数:11809字

摘 要

本文是基于现有气瓶存在的强度不足和事故率、报废率偏高而进行研究的。本篇论文首先对研究的背景和意义做了简单介绍,让大家理解CNG(Compressed Natural Gas)气瓶的相关知识和本次研究的目的。之后我利用ANSYS软件分别对钢制气瓶和金属内胆复合材料气瓶施加相同载荷,观察其在加载下的应力分布。通过分析结果,找出现有气瓶存在的问题并提出合理的解决方案。

关键词:事故 CNG气瓶 ANSYS 应力分布

The Analysis of Cylinders Based on the Software ANSYS

Abstract

This paper is based on the existing strength of the existing CNG cylinders which have some problem and that the cars have the high accident rate using them. This thesis firstly introduces the background and significance of the study, which makes it easy to understand the relevant knowledge of CNG (Natural Gas Compressed) cylinders and the purpose of this research.. After I use software ANSYS separately appling the same load to the steel cylinder and the inner metal lining composite cylinders.Then we observe the loading stress distribution.Through the analysis of the results, the problem of gas cylinder and reasonable solution is put forward..

Keywords: accident;ANSYS;CNG cylinder;stress distribution

目录

第一章 研究简介………………………………………………………1

1.1研究背景…………………………………………………………………… 1

1.2 CNG气瓶的简介……………………………………………………………1

1.2.1 CNG气瓶的分类……………………………………………………1

1.2.2 CNG气瓶的发展史…………………………………………………2

1.3 CNG气瓶的失效原理………………………………………………………3

1.4 研究意义……………………………………………………………………3

1.5 研究方法……………………………………………………………………4

第二章 钢制CNG气瓶分析过程…………………………………… 5

2.1 气瓶的形状…………………………………………………………………5

2.2 建立模型……………………………………………………………………5

2.3 定义基本参数………………………………………………………………8

2.3.1 Plane42单元说明…………………………………………………8

2.3.2 定义单元类型………………………………………………………8

2.3.3 定义实常数…………………………………………………………8

2.3.4 定义材料属性………………………………………………………8

2.4 划分网格……………………………………………………………………8

2.5 施加载荷和约束……………………………………………………………9

2.6 求解并观察结果……………………………………………………………9

第三章 钢制CNG气瓶有限元分析结果……………………………10

3.1 形变………………………………………………………………………10

3.2 应力分布…………………………………………………………………12

第四章 金属内胆复合材料CNG气瓶分析过程……………………16

4.1 气瓶的形状………………………………………………………………16

4.2 建立模型…………………………………………………………………16

4.3 定义基本参数……………………………………………………………17

4.3.1 定义单元类型……………………………………………………17

4.3.2 定义实常数………………………………………………………17

4.3.3 定义材料属性……………………………………………………17

4.4 划分网格…………………………………………………………………18

4.5 创建接触对………………………………………………………………18

4.6 施加载荷和约束…………………………………………………………18

4.7 求解并观察结果…………………………………………………………18

第五章 金属内胆复合材料CNG气瓶有限元分析结果…………19

5.1 形变………………………………………………………………………19

5.2 应力分布…………………………………………………………………19

第六章 课题总结……………………………………………………21

第一章 研究简介

1.1研究背景

现代工业文明不断发展,随之而来的文然问题日益严重,已经到了 不容忽视的地步。而这其中化石燃料的燃烧首当其中,为我们的生存环境带来了灾难性的破坏,对清洁能源的渴求是所有人的心声。而天然气作为一种清洁能源,以其高效、无污染、零排放的优点,受到人们的青睐。而车用气瓶作为汽车动力燃料的容纳容器,是新型清洁能源型汽车必不可少的一部分。减少汽车尾气对环境的污染不是一个国家的问题,而是全球性的问题,为保护我们的环境,使环境免遭破坏,许多国家和地区颁布了一系列法规及出台一系列的鼓励性政策,促进天然气汽车的发展。以气代油作为车用燃料,在很多国家已经实行,所以车用天然气气瓶已经在许多国家大量使用。由以上现状可知,气瓶行业为朝阳行业,具有很好的发展前景。但是在使用和运输的过程中,人们遇到的极大的困难。天然气作为一种易燃易爆的气体,必须使用高压气罐来储存和运输,这事其利用存在着危险。近年来,时常发生天然气气瓶(CNG气瓶)的爆炸事故,使人们意识到对CNG气瓶的研究的必要性。

1.2 CNG气瓶的简介

1.2.1 CNG气瓶的分类

CNG(Compressed Natural Gas)气瓶,也就是压缩天然气气瓶,顾名思义,指的是用于储存压缩天然气的高压气瓶。CNG气瓶大致分为2类,一类是钢制气瓶,一类是复合材料气瓶。而复合材料气瓶又可细分为金属内胆复合材料气瓶和全复合材料气瓶,两者的区别在于其内胆是金属材料制成还是复合材料。

钢制气瓶可以认为是一个简单的小型钢制单层的压力容器,有单层金属构成,既作为承压部分,又作为容纳气体腔体。这就要求该气瓶的住材料既要高的强度又要求其防腐性能优良。

复合材料气瓶则为内外2层,内层为内胆,材料可以是金属,也可以是符合材料,外层为复合材料外壳。在其理想设计中,由金属内胆或者密封防腐性能优良的复合材料制造的内胆来容纳气体,防止泄漏,而其复合材料外壳则用高抗拉强度和承载性能的符合材料制造,在气瓶正常工作下承受主要载荷。

钢制气瓶较早出现,应用最广,相关技术较为成熟,然而由于金属材料性能的局限性,无法满足人们日益增长的需求;而复合材料气瓶是伴随时代要求而生,性能更优越,更加符合时代的要求,但发展时间短,技术尚未成熟,有诸多问题尚待解决。复合材料气瓶与钢制气瓶的最大区别在于符合材料气瓶采用双层结构,内胆主要作用为容纳气体防止泄漏,所以选材主要在抗腐蚀上,而外壳为主要承载对象,材料以高承载的复合材料为主要选择。

1.2.2 CNG气瓶的发展史

气体工业的发源地是德国。最早出现的CNG钢质无缝气瓶也出现在德国,它是由德国的曼内斯曼(Mannesmann)钢管公司采用钢管制造的。其次是法国气瓶历史较长,也是由于法国气体工业发展较早的缘故。1899 年,德法两国装有气体的钢瓶传入日本。1920 年,意大利 A.T.B 公司开始生产钢质无缝气瓶。1931 年日本住友金属工业株式会社采用冲拔拉伸方式制造了容积 30L-47L 钢质无缝气瓶。1953 年,日本开始使用锰钢制造无缝气瓶,结束了使用碳钢制造无缝气瓶的历史。我国气瓶制造业兴起较晚,1957 年国营东北机械制造厂在绘制进口气瓶的基础上,依据苏联国家标准 FOCT749-41,设计并制造了我国第一批 40L 钢质无缝气瓶,从而结束了我国气瓶完全依赖进口的历史。进入 60、70 年代,我国在碾子山、上海、宁波、鞍山、北京、武汉等地相继建起了用冲拔拉伸法生产的钢质无缝气瓶的工厂,并在南京、广州、天津、成都、济南、涿鹿、南宁建成了用无缝钢管收口成形法制造无缝气瓶的工厂。目前,国内主要的气瓶生产厂家有华东的中材科技、华北地区的北京天海、山东环日、常州飞机制造公司、沈阳斯大林、上海青浦、南京板桥、上海高压、安瑞科等。

随着科学技术的迅速发展,出现了以铝合金为材料的无缝整体气瓶。由于铝合金气瓶的耐腐性好,重量轻,因此铝合金气瓶相对钢质气瓶来说有着自己的发展空间和应用领域。20 世纪 30 年代,法国、瑞典开始制造铝合金气瓶,但由于生产成本高,产量相对较低。到了 20 世纪 50 年代,英国勒克斯菲尔公司,开始使用冷挤压方法制造铝合金气瓶。此种制作方法使成本大大降低,同时迅速提高了产量。该公司到 20 世纪 70 年代末,已经生产该种气瓶达 500 万只,使得铝合金气瓶在潜水、工业、医疗等领域得到了广泛应用。伴随电子业的不断进步,标准气、电子气的使用量越来越大,铝合金气瓶的应用将会变得越来越广。

气瓶是一种移动式压力容器。为了确保气瓶能承受较高压力,同时为了使气瓶重量降低,从而产生了复合材料气瓶。复合材料气瓶是在金属或非金属材料上缠绕纤维材料的缠绕气瓶,它出现于 20 世纪 50 年代,是在火箭发动机复合材料机壳技术的基础上发展起来的。发展初期,复合材料气瓶的制作方法是用玻纤(玻璃纤维)浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上制成的。这种气瓶相对钢质气瓶来说,其重量降低很多。但由于玻璃纤维的气体渗透率较大,及其较低的抗应力断裂及静态疲劳能力,因此气瓶生产中安全系数的设计都较高。到了 20 世纪 60 年代,复合材料气瓶开始采用金属内胆来制作。相对橡胶内胆的复合气瓶来说,采用金属内胆的复合气瓶的渗透率降低很多,但金属内胆的疲劳寿命受到限制。20 世纪 70 年代,商业上开始增加复合气瓶的应用。在铝内胆或钢内胆上缠绕玻璃纤维和芳纶纤维制作的复合材料气瓶,多用于消防呼吸器和民用飞机滑梯充气。到了 20 世纪 90 年代,批准复合材料气瓶采用新材料碳纤维进行制作,复合材料气瓶在压缩天然气车用瓶领域得到了广泛应用。

1.3 CNG气瓶的失效原理

CNG气瓶的失效,除了部分是在高温情况下受热导致一场变形失效外,大部分在工作中失效 CNG气基本都是在气站填充气体或者刚完成这一过程而出现的。通过观察和研究之后,我们发现,当气瓶反复充、放气的压力循环使疲劳裂纹在交复应力下不断长大并通过气瓶侧壁,当气瓶充到最大压力时,裂纹受张力张开,继而发生漏气,这种疲劳裂纹长大机理决定了 CNG气瓶先漏后破的失效模式。而在高温下,气瓶的失效是由于气瓶内部压力远远高于充气压力或工作压力,当其内部压力达到爆破压力极限时,就会发生内胆爆破,为了提高内胆最小爆破压力并使纤维缠绕层真正起到承压作用,就应使内胆与纤维缠绕层同时爆破,必须选取塑性性能较高的材料作内胆,即不能让内胆先破。

这2种常见的失效模式对钢制气瓶和复合材料气瓶都是适用的。

1.4 研究意义

电脑技术不断发展,各种设计分析软件应运而生。许多问题可以利用软件分析来完成,避免庞大而繁杂的计算,为设计人员节省了大量时间。本次研究是基于ANSYS软件对CNG气瓶在加载情况下的受力情况进行静态分析,以此来了解其在正常状态下的应力分布。我们由此可找出气罐的薄弱部位,并提出相应的解决措施。

1.5 研究的方法

本文依托于ANSYS软件对钢制气瓶和复合材料气瓶进行有限元分析,通过分析结果来找出现有气瓶的局限性,提出合理建议。

第二章 钢制CNG气瓶的分析过程

2.1 气瓶的形状

首先分析的钢制CNG气瓶,其正视图与侧视图如下所示:

图2-1 钢制气瓶模型的正视图

图2-2 钢制气瓶模型的侧视图

这是一个简单而典型的气瓶结构,圆柱形筒体加2个球形封头,以及一个接嘴组成。单层结构,整体由金属材料构成。

2.2 建立模型

对于本次研究的分析对象,有2种建模方式,其相应的分析方法也就不同。

第一种是建立完整的三维模型,如图2-3所示。这样建模比较直观,以后的施加载荷,分析也比较方便明确。但是,划分网格比较困难,计算复杂,运算时间长。

图2-3 钢制气瓶的三维模型

第二种是建立平面模型,如图2-4所示。这种建模方式,模型简单,划分网格简单,将立体分析转化为平面分析,使计算大大简化。只是,在施加载荷和约束时,要明确知道相应的立体载荷和约束如何转化到平面。

图2-4 钢制气瓶的平面模型

在本次分析中,本人偏向于选择第二种,平面分析的方法。由于本次分析的CNG储气瓶是轴对称结构,其所受的约束和载荷也是如此,那么转化成平面分析,不失其准确性。在这种情况下选择第二种建模方式使问题大大简化。

具体建模的步骤,可以采用窗口操作,也可以使用命令流。如三维模型的命令流如下:

/PREP7

K,0,0,0

K,0,0,1

CYL4,0,0,0.17,0,0.178,360,1

SPH4,0,0,0.17,0.178

CYL4,0,0,0.178,0,0.2,360,1

SPH4,0,0,0.178,0.2

CYL4,0,0,0.022,0,0.04,360,-0.27

CYL4,0,0,0,0,0.022,360,-1

CYL4,0,0,0,0,0.3,360,-1

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