高壓儲(chǔ)氣罐的有限元應(yīng)力分析

1、介紹

儲(chǔ)氣罐用于儲(chǔ)存壓縮氣體，在正?；蚓o急情況下提供足夠的氣體。氣罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境污染少，成本低。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，油箱在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為了提高儲(chǔ)氣罐的儲(chǔ)存效率，人們總是試圖提高儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體的壓力和體積。因此，對(duì)高壓氣罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的計(jì)算分析，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。首先建立了儲(chǔ)氣罐的三維模型，然后根據(jù)薄殼理論和有限元法計(jì)算了儲(chǔ)氣罐結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力和變形，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。根據(jù)比較結(jié)果，提出了罐體截面尺寸的適當(dāng)調(diào)整方案，并對(duì)罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

2、高壓儲(chǔ)氣罐三維模型

儲(chǔ)氣罐是一種鋼制壓力容器，有球形和圓柱形兩種。圓柱形儲(chǔ)氣罐由于安裝方便而得到廣泛應(yīng)用。氣罐的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，如圖1所示。它包括進(jìn)氣口、排氣口、安全閥和壓力表。隨著高壓大容量?jī)?chǔ)氣罐的出現(xiàn)，最大儲(chǔ)氣壓力達(dá)到4.5MPa，最大儲(chǔ)氣量達(dá)到600m3以上。

3、高壓儲(chǔ)罐的應(yīng)力分析和理論計(jì)算

傳統(tǒng)的高壓油罐設(shè)計(jì)是基于薄殼理論進(jìn)行的。然而，由于儲(chǔ)氣罐的設(shè)計(jì)沒(méi)有規(guī)范，設(shè)計(jì)人員往往采用經(jīng)驗(yàn)類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，這使得儲(chǔ)氣罐的設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題。高壓氣體泄漏情況下，是否物料浪費(fèi)無(wú)法控制。當(dāng)圓柱形氣罐的壁厚差遠(yuǎn)小于其內(nèi)徑D時(shí)，稱為薄壁圓筒。

4、高壓儲(chǔ)氣罐的有限元分析

4.1有限元分析預(yù)處理

采用MSC對(duì)高壓儲(chǔ)氣罐進(jìn)行了有限元計(jì)算和分析。Marc軟件。有限元分析的預(yù)處理包括網(wǎng)格劃分、加載模式、邊界約束、材料參數(shù)等。有限元模型的網(wǎng)格劃分直接影響計(jì)算速度和精度。由于儲(chǔ)氣罐的軸對(duì)稱特性，為了在不影響精度的前提下減少計(jì)算量，采用軸對(duì)稱方法對(duì)儲(chǔ)氣罐進(jìn)行研究，可以減小模型規(guī)模，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

4.2有限元分析

有限元分析結(jié)果可以直接以圖形的形式顯示出來(lái)，使結(jié)構(gòu)的重應(yīng)力部分一目了然。因此，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)儲(chǔ)氣罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。氣柜軸對(duì)稱模型的軸向應(yīng)力圖如圖4所示。從圖中可以看出，最大軸向應(yīng)力為125mpa，發(fā)生在內(nèi)壁一側(cè)。

5、結(jié)論

(1)采用薄殼理論計(jì)算得到的軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力值與有限元分析結(jié)果基本一致，說(shuō)明儲(chǔ)氣罐的設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)根據(jù)這些因素進(jìn)行考慮。

(2)馮·米塞斯應(yīng)力理論計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果相差8%。安全系數(shù)[n] = 470251 = 1.87，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。(3)儲(chǔ)氣罐厚度為30，可以滿足強(qiáng)度要求。儲(chǔ)氣罐的重量約為25噸，既節(jié)省了材料，又能承受普通車輛的運(yùn)輸。