天然气共轨管和双壁气管的可靠性设计

0 前言

船舶动力由于运行场所的特殊性对安全性的要求很高。船舶的航行、转向、靠港、停泊等都需要发动机提供动力源，无法像陆用车辆一样采用简单的刹车机构。在急流和有风浪的情况下，船舶一旦失去动力会导致倾覆危险。另外，船用发动机一旦发生火灾对人员安全的威胁远远高于陆用动力装置，因此《天然气燃料动力系统船舶预设指南》对船用天然气发动机燃料供给系统的可靠性提供了严格的要求。

语音是英语学习的重点和难点。然而，目前对语音教学的研究却少之又少。英汉语音的比较研究、对比教学实属必要。

ABAQUS是目前应用最为广泛的有限元软件之一，可以用于弹性塑性力学、断裂力学和热力学等领域内的计算分析。ABAQUS的Standard模块主要应用在静态问题和低速动态工程例子的求解，它可以提供高精度的应力解决方法。本章内容利用ABAQUS软件对天然气共轨管和天然气高压双壁气管开展静强度的有限元分析。根据实际情况设置计算部件的边界条件，计算出了其应力分布状况，分析计算结果，并进行了优化设计，选择了合适的材料，使天然气共轨管及高压气管满足了船规要求。

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1 天然气共轨管的强度计算

1.1 天然气共轨管计算模型的建立

根据天然气供气集成箱安装空间的需要及天然气共轨管内压力波动的计算分析

，对天然气共轨管建立几何模型，进行计算校核。图1.1所示为天然气共轨管的几何模型，模型包括入口、共轨管体和6个出口三部分。

1.2 天然气共轨管计算边界条件

壁厚增加后的共轨管外表面的变形量及应力分布如图2.1-图2.2所示。图中数据显示天然气共轨管厚度增加后外表面以及内部应力和应变的分布规律同原方案相同，但是幅值减小效果明显。最大变形量从1.687×10

mm降低到1.05×10

mm，比原始方案减小了37.7%。最大应力数值从219.8MPa降低到178MPa。

4）虚拟的实验环境能向具体的实验者提出具有针对性的实验要求，并可以满足不同类型的实验。在实践教学中，学生或教师可根据不同课程或不同章节的实验参数与实验要求，定制不同的虚拟实验产品或设备和实验场景，有助于学生加深对机械专业课实践环节的切实认知程度。

为了防止天然气共轨管在使用过程中因震动而损坏

，实际安装中，进口部分和6个出口部分利用定位装置进行限制，同时计算强度满足要求后可以在两端焊接合适的螺纹安装搭子。主要计算天然气共轨管是否能够承受管内高压气体机力的作用，因此根据需要对模型施加如下约束条件：

(1)平动和转速自由度的约束。考虑到进口和出口分别和相应管路连接，因此在气体的进口位置和6个出口位置施加约束，选择此处的节点限制其X、Y、Z的平动自由度及绕X轴、Y轴、Z轴的转动自由度。约束位置如图1.2所示。

则材料1在船舶管路中许用应力为288.9MPa，材料2在船舶管路中许用应力为113.9MPa。

1.3 天然气共轨管计算结果分析

鉴于该发动机为船用主推动力装置，按照天然气燃料动力船舶规范中对于钢制管路许用应力的要求应取Rm/2.7或Re/1.8计算值的较小者。

3.3.1 双壁管内层管应力分析

式中：Rm—室温下材料的规定最低抗拉强度，N/mm

；

Re—室温下材料的规定最低屈服强度，N/mm

。如在应力-应变曲线上无明显的屈服应力，则可采用0.2%条件的验证应力。

(2)天然气共轨管受到高压气体压力，这个气体压力是面压力，选择整个共轨管的内表面进行加载，因设计具有一定的安全系数，加载过程中不考虑天然气喷射过程引起的轨内压力波动，按最大使用压力30MPa进行加载。

原始方案及共轨管加厚方案都显示在共轨管管体和进、出口岐管交接处存在应力较大的区域，在此时设计圆角，使其过度平滑，缓解应力集中现象。在主管管体和岐管处使用半径为2mm的圆角过渡。图2.3及图2.4管内壁及截面的应变及应力分布则表明，最大变形量从1.687×10

mm降低到1.581×10

mm。最大应力数值从219.8MPa降低到211MPa，减小幅度不明显。

图3.2为内管及外管的结构参数，外管的外径为12mm、壁厚1mm，内管的外径为8mm、壁厚1.5mm。

夜静更深，她依然无法入睡。风将她的一颗心一层一层地剥开来，像剥洋葱皮一样，每剥一层她就流一次泪，痛楚的泪，忏悔的泪。她的眼前晃动着风影落寞而伤感的脸孔，还有那双似乎永远迷茫的眼睛。半夜，窗外响起滴滴答答的雨点声，天空下了一场雨，她听着檐前的水滴寂寞地敲打着阶前的青石板，直到东方拂晓，天色微明，她才迷迷糊糊地睡了过去。刚睡下，就被一场恶梦惊醒了，梦中那个耽于幻想的风影站在她的面前，眼睛里满满的，风吹着他薄薄的衣衫，风过处了然无痕。再一看，风影的手中居然捏着一把刀子，刀尖上有红色的液体，正一滴一滴地往下滴落。渐渐地，风撕裂了铅灰色的云，在东方，在天边，出现了一道桔红色的曙光。

对比两种材料的许用应力，接口处的应力值没有超过材料1的许用值，远高于材料2的许用值，存在应力集中的现象，为了减小应力集中现象对共轨管进行优化设计。

2 天然气共轨管优化方案

根据天然气共轨管的结构设计两种优化方案，增加共轨管的厚度及进、出口处加圆角。共轨管容积的计算结果表明，容积的变化影响到轨内压力波动的幅值

，因此不改变共轨管的内径，根据共轨管模具的限制其厚度在原来基础上增加1.5mm。

计算过程中首先设置天然气共轨管的材料参数，天然气共轨管的材料1为F38MnVs、材料2为0Cr18Ni9两种，表1.1所示为材料的力学参数。

图1.3为天然气共轨管原始方案的外部Mises应力分布云图。如图中的变形量所示，进出口接管的变形量最小，从共轨管管体中间向外变形量逐渐增加，进出口安装处和共轨管主体连接部位变形量的梯度较大。图1.3中的应力分布数值显示，由于天然气进口接头和出口接头壁厚很大，其外表面的Mises应力数值较小低于37MPa，天然气共轨管两端的应力数值也较小。共轨管体外表面的应力为54.9-73.3MPa,管体和进口及出口相连接的部位应力数值较大为73.3-91.6MPa，这是由于进、出口的刚度大变形小，它和管体的变形量差别较大导致。

因此，采用加大天然气共轨管壁厚的方案对应变及应力的改善较增加圆角效果好，同时增加圆角方案加工较困难，因此采用增加壁厚的方案。材料1的许用应力值满足强度要求，材料2不满足，选用材料1作为共轨管的材料。

3 天然气高压双壁气管强度校核

3.1 天然气高压双壁气管模型建立

天然气共轨管和喷射器之间的双壁管，共6根双壁管，由共轨管向发动机供给高压天然气。双壁管的外壁在内管发生泄漏的情况下，防止天然气向发动机舱内泄漏，需要按最恶劣的情况进行校核。

双壁管的三维几何模型如图3.1所示，为了保证各缸喷射量的一致性，双壁管的长度一样。每缸共轨管出口和喷射器入口的距离不同，因此将不同缸的双壁管弯成不如的形状，弯折处的曲率不同，使管路内部的应力分布，每缸的双壁管的内管和外管都需要单独计算校核。

素琴即无弦琴，该典与陶渊明相关，《晋书·隐逸传·陶潜》说陶潜：“性不解音，而畜素琴一张，弦徽不具，每朋酒之会，则抚而和之曰：‘但识琴中趣，何劳弦上声’”[4]。陆游认为弹琴能够悦性灵、养心、排闷，“举酒和神气，弹琴悦性灵”[3]831，“琴调养心安澹泊，炉香挽梦上青冥” [3]262，“援琴排遣闷，合药破除闲”[3]730。

取天然气共轨管中间截面图，分析内壁及管路截面的应变及应力数值。图1.4为原始方案中间截面应变图，图1.5为原始方案中间截面Mises应力分布图。如图中应变数据所示，天然气共轨管的最大变形量出现在两段的堵头处，两段后续安装传感器等部件。截面处的变形量基本以进气口的中心对称，由于加载的是面载荷，圆周方向变形量的差别不大，主要是沿天然气共轨管轴线的变形量存在差别，即共轨管被拉长。如图1.5中的应力数据及分布规律，天然气共轨管内壁面远离进出口位置的应力分布较为均匀，在91-128MPa范围内；最大应力值出现在共轨管进口及出口的尖角处，最大值为219.8MPa。这这是因为尖角处应力集中，受到共轨管管体内部压力及进、出口岐管内部压力的共同作用，使其应力值最高。

护理人员应向病人介绍饮食治疗的目的、意义及具体措施,使病人意识到饮食控制的重要性,只有积极主动地配合,才能取得最佳的治疗效果。

将双壁管的几何模型划分计算网格，考虑到计算模型结构简单，六面体网格的计算精度高、收敛性好，因此为了保证计算结果的准确性，将模型划分成尺寸较小的规则六面体网格。图3.3所示为双壁管的计算网格。

3.2 计算约束及边界条件

双壁管的外层管在发动机正常工作是基本不受力，但是一旦内层管发生破裂，会迅速在内层管和外层管之间的空腔内建立压力，按最恶劣的情况加载压力，即外层管内表面的载荷也为29.8MPa，图3.4为管路约束示意图。

3.3 高压天然双壁气管结果分析

目前，CAE技术被广泛应用，CAE软件中Moldflow由于独特的求解技术和精确的分析结果，被广泛应用于航天航空、汽车、材料、通讯、电器等行业[1]。Moldflow可以帮助工程技术人员优化产品结构，指导模具设计，缩短设计周期，降低生产成本[2]。开关按钮既是外观件，同时也是产品的功能件，因此对塑料的成型要求较高。通过数值仿真分析，可以先期验证产品结构，找出产品设计中的不足，优化结构设计。

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分析各内层管的应力分布，管路内表面应力较高，外表面的应力较低，直管部分管路截面应力的梯度比价均匀，外壁面直管部分的Mises应力在18-25MPa范围内，内壁面的应力一般大于40MPa。对比管路弯曲部分的Mises应力和第一主应力，Mises应力均大于第一主应力，且第一主应力的数值为正，说明管路总体上受拉应力的作用。Mises应力和最大第一主应力在管路的弯曲部分出现极大值，极大值的数值与弯曲部分的曲率有关，图中数据显示弯曲部分内侧面所承受的拉应力都较大，外侧承受应力则较小。

表3.1为不同双壁管内管Mises和第一主应力的数值，如表中数据所示，其应力值均远远小于材料2的许用应力113.9MPa，双壁管的内层管也可选用材料0Cr18Ni9。

3.3.2 双壁管外层管应力分析

分析各内层管的应力分布，由于外层管的内径大，在同样面压力的作用下，施加在外层管壁上的力增加，同时外层管的壁面厚度仅为内层管的2/3,因此其应变及应力数值较内层管大。分析Mises应力及第一主应力的分布规律，外层管和内层管基本类似。

表3.2为不同缸双壁管外管Mises和第一主应力的数值，如表中数据所示其应力值最大为172.1MPa，其应力值均高压材料2的许用应力113.9MPa，小于材料1的许用应力288.9MPa，双壁管的外层管需要选用材料F38MnVs。

4 小结

本章利用有限元计算软件ABAQUS建立了天然气共轨管的有限元计算模型，分析了静应力，主要结论结论如下：

(1)天然气共轨管体的应力分布较均匀，共轨管体和进、出口岐管连接部位的应力较大，最大应力出现在天然气进口和出口小孔的周围；对比分析了采用加厚共轨管和在小孔处倒圆角方式对应力的影响，结果表明增加共轨管厚度效果显著；根据计算的最大应力数值选定F38MnVs为天然气共轨管的材料。

(2)分析了天然气双壁管内管和外管的应力分布，结果表明：内层管和外层管的应力分布规律类似，最大应力的位置都是出现在弯折处；内层管的厚度大、内径尺寸小，材料0Cr18Ni9可以满足强度要求，外层管的内径大，承受的压力高，且壁厚薄，高强度的F38MnVs满足许用应力限值。

[1]杨立平.4SH-N 天然气发动机工作过程优化及排放过程[D].长春:吉林大学,2008.

[2]雷伟,甘少炜.周国强船用双燃料发动机关键技术分析[J],船海工程,2016.

[3]邹博文,李静波,李开国.葛晓成缸内直喷天然气发动机的开发[J].汽车技术,2011.

[4]Carlucci AP, Risi AD, Laforgia D, et al. Experimental investigation and combustion analysis of a direct injection dual-fuel diesel natural gas engine[J]. Energy,2008.