煤气罐的应力分析与优化设计研究

2016-01-29叶煜松尹飞鸿

机械制造与自动化 2015年4期

关键词：应力分析煤气罐有限元分析

叶煜松，尹飞鸿

(1. 常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002; 2. 常州市特种加工重点实验室，江苏常州 213002 )

煤气罐的应力分析与优化设计研究

叶煜松1，尹飞鸿2

(1. 常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002; 2. 常州市特种加工重点实验室，江苏常州 213002 )

摘要：对煤气罐进行了设计计算，建立了三维模型，运用有限元分析软件对煤气罐施加工作压力，得到了工作状态下煤气罐的应力值。根据应力分析结果对煤气罐的壁厚进行了优化分析，得到了设计序列、体积与迭代次数的关系曲线、厚度与迭代次数的关系曲线、最大应力与迭代次数的关系曲线,为其他压力容器的应力分析和优化设计提供了思路。

关键词：煤气罐；应力分析；优化设计；有限元分析

Research on Stress Analysis and Optimization Design of Pressure Vessel

YE Yusong1, YIN Feihong2

(1. Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002, China;

2. Changzhou Key Laboratory of Nontraditional Machining，Changzhou 213002, China)

Abstract:In the paper, the gas tank is designed and calculated, the three-dimensional model is established, and the stress value in the working state is obtained by of the finite element analysis software. The optimized design of wall thickness is completed according to the results of stress analysis, the design procedure, relationship curve of the number of iterations, volume, thickness and maximum stress are gotten. The result of design can provide a method for stress analysis and optimization design for the other pressure container.

Keywords:gas tank; stress analysis; optimized design; finite element analysis

0引言

随着原材料的制造技术、生产成本及使用过程控制手段的提高，机械设备一直采用轻量化技术优化结构、优选材料、优选加工方法，使其零部件和整机质量减轻，达到提高性能、节能减排、降低作业成本等综合效益的目的。压力容器在工程中用途广泛，数量众多，容器内介质复杂，且多数介质具有易燃易爆的特点，再加上工作环境恶劣，常有爆炸事故发生。所以，在保证受压元件有足够的强度及必要的安全裕度前提下，正确设计压力容器，是压力容器制造、使用的一个重要前提。现以YSP-35.5型钢制的移动式煤气罐为例，进行压力容器的应力分析与优化设计研究[1]。

1煤气罐瓶体的设计计算

煤气罐主要是由底座、瓶体、阀座、护罩、瓶阀等部分组成，如图1所示。其中瓶体是构成煤气罐安全的主要部分。按照GB5842-1996《液化石油气钢瓶》的标准，对YSP-35.5钢瓶瓶体设计计算如下：

图1　煤气罐简易模型

钢瓶体的壁厚S

筒体计算壁厚S01：

式中：Di为钢瓶内径(mm)，Ph为水压试压压力(MPa)，σ为材料屈服强度(MPa)，ξ为系数。

封头计算壁厚S02：

因考虑到钢板在拉伸时的工艺减薄量以及瓶体的厚度偏差，初选钢板的厚度为3.0mm。

钢板的厚度偏差：△1=-0.21mm

拉伸时的减薄量：△2=3.0×10%=0.3mm

所以：S=S01+△1+△2=2.48+0.21+0.3=2.99mm

即选定刚瓶体板材的名义壁厚S=3.0mm

刚瓶体的刚度经验校核：

故壁厚为2.5mm。

2煤气罐壁厚的静态分析

2.1有限元模型的建立

因为煤气罐的外形是轴对称的，而且上下也是对称的，为了方便研究，取其1/4作为研究对象。其设计参数为：煤气罐的内半径R=157mm，煤气罐瓶体的壁厚t=4mm，煤气罐筒体高度L=184.25mm，设计压力P1=2.16MPa，煤气罐材料的屈服极限σ=295MPa，煤气罐材料的许用应力P2= 96.66MPa，煤气罐材料的安全系数S=1.5。单元类型Quad 8node82，设置为轴对称结构。材料的弹性模量E=2e5MPa，材料的泊松比Nu=0.3，1/4有限元模型如图2所示。最终划分了832个单元，3057个节点。分析时选择筒体底端各节点施加y方向约束，同时在所选节点上施加x和y方向轴对称约束，在容器内壁的节点上施加0.6MPa的工作压力[2-4]。

图2　有限元网格模型

2.2静力分析结果

煤气罐工作压力下的变形结果如图3所示。由煤气罐壁厚的变形结果图可以看出，瓶体的圆弧处变形较大，内部的压力将瓶体向外扩张，由图3可以得出，在瓶体顶部的挠度最大，其最大挠度为0.224836mm。

图3　煤气罐壁的变形

煤气罐节点的von Mises应力分布结果如图4所示。由图4可以看出最大应力出现在瓶体的圆弧处，大小为131.042MPa，最小应力出现在最大应力下方，圆弧和直线的交界处，大小为21.12MPa。

图4　煤气罐的应力云图

外壁上节点路径上的von mises seqv分析结果如图5所示。

图5　应力等值线图

由应力等值图可以看出，沿着该路径应力逐渐呈下降趋势，然后突然升高，最后趋于稳定。因为最大应力出现在煤气罐的顶部，也就是路径的起始点，顺着路径应力开始逐渐减小，在路径中点附近到达最小值，之后迅速上升达到一个峰值，然后逐渐下降，最后趋于平稳。

对称扩展后查看节点的应力分布，结果如图6所示的应力分布图。

图6　应力云图

3煤气罐壁厚优化设计

现代化的设计工作已不再是过去那种凭借经验或直观判断来确定结构方案，也不是像过去“安全寿命可行设计”方法那样，而是借助计算机，应用一些精确度高的力学数值分析方法(如有限元法等)进行分析计算，并从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算，用优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。优化时取煤气罐瓶体的壁厚为优化设计变量，其值取1mm～5mm，优化状态变量为优化分析时的最大应力，目标函数为煤气罐的总体积，采用一阶优化方法，最大迭代次数取28。所有设计序列如图7所示，最佳优化结果为最大应力为197.47MPa，壁厚为2.5348mm，体积为0.88789E6mm3[5]。