浅谈钢质压缩天然气瓶式压力容器的有限元应力分析

摘要 ：随着经济的不断发展造成大量的自然资源被消耗，为积极响应国家生态化可持续发展方针，大量使用天然气这种清洁、高能值的气体能源。基于此，本文主要就钢质压缩天然气瓶式压力容器的有限元应力进行了研究和分析，希望通过本次分析能够为有序有关钢质压缩天然气容器的设计提供技术上的支持。

关键词： 钢质压缩天然气瓶式压力容器;有限元应力;试验分析

中图分类号：  TH49    文献标识码： A    文章编号： 1672-9129（2019）07-0070-01

Abstract：  with the continuous development of economy， a large number of natural resources are consumed. In order to actively respond to the national ecological sustainable development policy， a large number of natural gas， a clean and high-energy gas energy， is used. Based on this， this paper mainly studies and analyzes the finite element stress of the steel compressed natural gas cylinder pressure vessel， hoping to provide technical support for the design of the orderly steel compressed natural gas container through this analysis.

key words ： steel compressed natural gas cylinder pressure vessel; Finite element stress; Test analysis

众所周知，天然气作为一种清洁、高能量的气体资源，在人们日常生活和工业化生产中扮演着重要的角色。随着国家西气东输工程的推进和发展，越来越多的城市居民使用天然气，但是由于输气管网布置存在一定的局限性，导致许多乡村不能频繁的使用天然气，必须将天然气通过压力容器进行储运和灌装。其中，钢质压缩天然气瓶式压力容器，是一种应用较为广泛的气体储运装备。事实上，在对该装备进行设计时常常以屈服强度和常规化参数作为设计依据，但是存在一定的不精确性。因此，本文借助有限元应力分析法，对钢质压缩容器的应力和形变进行客观的分析，对气瓶试验的工作状况进行直观的反应，希望通过本文的分析为钢质储气装置的制造和相关技术规范提供参考依据。

1 钢质压缩天然气瓶式压力容器的有限元应力分析

1.1分析对象及计算模型。 根据天然气有关储存、运输装置的市场调查显示，钢质CNG瓶式压力容器的结构图如图1所示。其中，该钢质天然气瓶式压力容器的外部直径560㎜，容器的系统壁厚为30㎜，正常工作压力为30MPa。整个容器装置是通过高压环境下进行无缝钢管拔制而成，其材料的参数化属性为：强度等级为2.1105MPa;材料密度为0.3;屈服强度为482MPa。對于该压力容器的计算模型进行选取时，将钢质CNG瓶式压力容器，设计成一个两端带进出口呈现细长圆筒状的压力容器，选取其中一段具有一定长度的圆筒或端部，作为模型的计算对象。同时由于该结构具有一定的对称性，因此可以选取一半图形进行模型的建立。对于计算单元的类型在确立的时候，选用8节点三维实体单元来进行。此外，对于计算模型的采用，其边界条件有所限制，需要在具有对称性的平面上进行一定的对称约束力的施加，当截断面采用绞支承固定时，该设备承受的荷载为30MPa，且内部不存在压力，其进出口的断面处向上的作用轴向应力为16.875MPa，其计算模型如图2所示：

1.2钢质压缩天然气瓶式压力容器的有限元网格的划分。在对外部直径为560㎜，容器的系统壁厚为30㎜，正常工作压力为30MPa，过渡圆弧半径为140㎜的钢质天然气瓶式压力容器进行有限元分析时，要对该应力进行网格的划分。在进行该有限元网格划分时，采用的是对网格进行映射的方法，沿着钢质天然气瓶式压力容器厚度方向进行有效的划分，将整个有限元计算模型划分为23200个单元格，存在28908个数值节点。

1.3钢质压缩天然气瓶式压力容器有限元应力计算方案的确立。 在两种情况下，对该容器进行有限元应力的计算和分析：第一，将钢质压缩天然气瓶式压力容器的口径控制为不可变量，当瓶颈处的过渡圆弧半径R处于不断变化时，会出现不同的数值，通过对过渡圆弧半径对应值所对应的应力进行分析，其结果为，当钢质压缩天然气瓶式压力容器的口径为90㎜时，将过渡圆弧半径分别取100㎜、120㎜、140㎜、160㎜。第二，将钢质压缩天然气瓶式压力容器的过渡圆弧半径R控制为不可变量，使得钢质压缩天然气瓶式压力容器的口径设计成不同的数值，通过试验分析，总结出容器口径变化对于应力分布所产生的影响。当钢质压缩天然气瓶式压力容器的半径R为140㎜时，将钢质压缩天然气瓶式压力容器的口径分别取30㎜、60㎜、90㎜、120㎜。

1.4应力计算结果。试验数据表明，当钢质压缩天然气瓶式压力容器的口径D为90㎜，过渡圆弧半径R为140㎜时。此时钢质压缩天然气瓶式压力容器的最大应力分布在圆筒的内部，且其值为257.088MPa;其最大应力在容器的瓶颈处内部，其应力值为223.047MPa。

2 钢质压缩天然气瓶式压力容器有限元应力结果分析和讨论

根据上述实验数据不难看出，通过对容器进行有限元应力分析，可以在不同系统结构基础上对瓶式压力容器的有限元应力分布进行掌握。由应力分布图可以明显的观察到，在容器的瓶颈处，圆弧过渡的结构内壁上会出现一定数值的最大应力，当改变圆弧过渡的口径大小时，该部分的应力值便会小于圆筒四周所承受的应力;当保持对钢质压缩天然气瓶式压力容器的口径数值不发生改变时，其过渡圆弧半径值越大，瓶颈处所承受的作用力越小;当保持对钢质压缩天然气瓶式压力容器的过渡圆弧半径数值不发生改变时，其钢质压缩天然气瓶式压力容器的口径越大，瓶颈处所承受的作用力越大;就试验的应力计算值来看，希望在对钢质压缩天然气瓶式压力容器进行设计时，希望将容器的口径设计较小，其过渡圆弧半径较大。但是结合实际的使用功能，其口径数值不能太小，过渡圆弧的半径也不能过大。

结束语：综上所述，本文主要运用国际认证的有限元应力软件对钢质压缩天然气瓶式压力容器进行了不同情况下的应力变化分析，并生成有关应力云图，希望在此基础上能够推动我国有关钢质压缩天然气瓶式压力容器的研发生产。

参考文献：

[1]管亚军，周运武，杨斌，常国富.有限元分析在车载缠绕式复合材料CNG气瓶中的应用[J].化学工程与装备，2018（02）：231-234.

[2]吴泽敏. 复合材料气瓶应力分析及性能优化[D].大连理工大学，2015.

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