大型立式液氢容器模态及地震响应谱分析

2022-07-22张振扬

现代制造技术与装备 2022年5期

妙丛张振扬解辉张震

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

氢能属于清洁能源且可再生，因此如何利用好氢能是近年来全球学术界研究的热点[1]。“制-储-运-加”是氢能综合利用的四大环节，每个环节都有其研究的难点，都对降低氢能利用成本有着至关重要的影响[2-3]。本文研究的液氢容器是氢能“储”环节的重要装备之一。文章主要介绍大型立式液氢容器自身模态和受到地震载荷情况下所受应力的情况，并通过应力分析提出结构改进意见。

1 液氢容器建模

内外罐之间的传力连接主要是在内外容器上封头顶部，而它们之间的结构是柔性连接，相互之间传递的力很小，可以忽略不计[4]，因此可以单独建立内外容器模型进行有限元分析计算。

内容器承载较大且载荷复杂，又是重点考察对象，故选用ANSYS Solid95 实体单元类型构建模型，以确保内容器计算数值的精确性[5]。

用ANSYS Shell63 构建外容器模型，以便了解其整体应力分布。内容器Solid95 实体有限元模型中节点数为86 325，单元数为16 895。外容器Shell63壳体有限元模型中节点数为10 558，单元数为9 669。

通过调整内外容器的密度来补偿附件带来的影响。内容器空载时密度调为9 006 kg·m-3，模拟质量为25.20 t。外容器密度调为10 850 kg·m-3，模拟质量为23.11 t。

内容器装满液氢时，所盛液氢质量相对于罐体很轻[6]，故进行简化处理，把液氢质量平摊到罐体上，密度调为10 552 kg·m-3，模拟质量为29.11 t（实际质量为28.605 t）。

2 液氢容器材料参数输入

液氢容器材料参数见表1[7]。

表1 液氢容器材料输入参数

地震引起的水平加速度计算方法由以下方法计算。

任意高度hK处的集中质量mK引起的基本振型水平地震力的计算公式为[7-8]：

式中：FK1为集中质量mK引起的基本振型水平地震力，N；CZ为综合影响系数，取CZ=0.5；mK为距地面hK处的集中质量，kg；α1为对应于塔器自振周期T1的地震影响系数α值；α为地震影响系数；αmax为地震影响系数的最大值；ηK1为基本振型参与系数。

基本振型参与系数ηK1的表达式为[9]：

取n=1，则有ηK1=1。此标准中，8 级地震时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 内容器模态分析

内容器空载工况下第5 阶非零模态见图1。由图1可以得出频率下罐体形态，详见表2。内容器满载工况下前5 阶非零模态震动形态见表3。对比表2 和表3可以发现，液氢容器内容器空载和满载工况下，模态频率和震动形态也一致[10-14]。

4 外容器模态分析

外容器前5 阶频率和振型详见表4。由模态计算结果看出，内外罐第一阶模态频率小于4 Hz，易受风载影响，建议增加地脚螺栓的数量，以提高刚度[15-17]。

表2 内容器空载工况下前5 阶非零模态

表3 内容器满载工况下前5 阶非零模态

表4 外容器前5 阶非零模态

5 地震载荷下内外容器受力分析

由图2 ～图4 可知：内容器空载状态下（地震载荷情况下），最大应力发生在支柱拐点处，最大值为74.475 MPa；内容器满载工况下（考虑地震载荷），最大应力发生在支柱拐点处，最大值为160.479 MPa；外容器（考虑地震载荷）最大应力发生在支柱支撑连接处，最大值为105.936 MPa[18-19]。