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浙江工业大学硕士学位论文 车载高压天然气钢瓶的结构优化 摘要 采用压缩天然气( c n g ) 作为汽车燃料，是一种经济而有效的节能和环保措施，在国 内外得到迅速推广应用，并充分显示出其在经济、节能和环保方面的优越性及较好的发展 前景。虽然c n g 技术的使用有非常严格的措施和标准保证安全，但天然气本身属于一级 易燃、甲级防爆的危险品，c n g 气瓶的应用和储存中应特别注意安全使用。近年来先后发 生了多起c n g 储气钢瓶( 包括站用瓶和车用瓶) 爆炸事故，产生了很大的负面效应。c n g 气瓶是汽车使用的移动式储气设备，在保证其安全性的同时减轻重量既可以减少企业气瓶 成本又可以减少一定的油耗给汽车用户带来经济效益达到双赢作用，所以c n g 气瓶结构 优化的一个重要目标就是保证安全的前提下减轻气瓶重量。因此本文对c n g 气瓶的结构 安全与结构优化设计进行了研究，主要的研究内容如下： ( 1 ) 通过对各个规格的c n g 气瓶的水压爆破试验获得爆破压力，均大于其设计最小 爆破压力( 4 5 m p a ) 。气瓶爆破后均无碎片产生，爆破口位置均处于气瓶筒体部位中下端处， 断裂形式为塑性断裂，有明显剪切唇，检查断口金属均无表面缺陷。通过a n s y s 对各个 规格气瓶进行结构应力分析模拟出气瓶在不同压力值下的应力分布。比较分析了气瓶模拟 爆破压力值与试验爆破压力值，得出该模拟方法可用于工程上计算气瓶最小爆破压力。 ( 2 ) 通过对各个规格气瓶的水压疲劳试验获得了气瓶在不同应力幅值下的的疲劳试 验寿命。根据试验结果拟合了该材料c n g 气瓶的疲劳计算曲线，计算了各个规格气瓶在 试验压力下的疲劳寿命。 ( 3 ) 通过a n s y s 对各个规格气瓶进行结构优化分析。在保证气瓶疲劳寿命和最小爆 破压力值的前提下对气瓶结构进行了优化，使得其应力分布更为合理，疲劳寿命统一，并 且一定程度的减轻气瓶重量，经济效益明显。 关键词：c n g 气瓶：a n s y s ；结构优化设计；疲劳分析 浙江工业大学硕士学位论文 o p t i m u md e s i g no fh i g h p r e s s u r e v e s s e lf o rc n g a b s t r a c t i ti sa ne c o n o m i c a la n de f f e c t i v e e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n m e a s u r e st ot a k ec o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ( c n g ) a sa u t o m o b i l ef u e l i t sr a p i dp o p u l a r i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n a ti n t e r n a la n da b r o a df u l l yp r o v e si t sa d v a n t a g e sa n db r i g h td e v e l o p m e n tp r o s p e c t s a l t h o u g ht h e r ea r es t r i c tm e a s u r e sa n ds t a n d a r d st oe n s u r et h es a f e t yu s eo fc n gt e c h n o l o g y , t h e g a si t s e l fi sh i g h l yf l a m m a b l ea n de x p l o s i v e t h ea p p l i c a t i o na n ds t o r a g eo fc n gc y l i n d e r s d e m a n d ss p e c i a la t t e n t i o n i nr e c e n ty e a r s ，s e v e r a le x p l o s i o na c c i d e n t so fc n gg a sc y l i n d e r s ( i n c l u d i n gc y l i n d e r sf o rs t a t i o n sa n dc n gc y l i n d e r sf o rc a r s ) h a so c c u r r e d ，r e s u l t i n gi nag r e a t n e g a t i v ee f f e c t c n gc y l i n d e r sa r eg a se q u i p m e n t sw h i c ha r eu s e di na u t o m o b i l e s b ye n s u r i n g t h es e c u r i t ya sw e l la sr e d u c i n gt h ew e i g h t , t h ec o s t so ft h ef a c t o r ya n dt h ef u e lc o n s u m p t i o no f t h ec a ru s e r sc a nb ec u td o w n t h u s ，m u t u a lb e n e f i t sc a nb ee a s i l yr e a c h e d t h e r e f o r e ，o n eo ft h e m o s ti m p o r t a n ta i m so fc n gc y l i n d e r ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o ni sr e d u c et h e w e i g h to ft h e c y l i n d e r su n d e rc i r c u m s t a n c eo fs a f e t y t h i sp a p e rs t u d i e st h ef a t i g u ea n a l y s i sa n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nd e s i g no fc n gc y l i n d e r s t h em a i nw o r k so ft h er e s e a r c h e sa n dt h ec o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb l a s tp r e s s u r e sa r eg o tt h r o u g hv a r i o u ss p e c i f i c a t i o n so fc n gc y l i n d e r sh y d r a u l i c p r e s s u r eb l a s t i n gt e s t s ，w h i c ha r eg r e a t e rt h a nt h em i n i m u md e s i g nb l a s tp r e s s u r e ( 4 5 m p a ) n o f r a g m e n t so c c u ra f t e rb l a s t i n g t h eb l a s t i n gl o c a t i o n sa r ea tt h eb o t t o mo rm i d d l eo ft h ec y l i n d e r s t h e ya r ea l lp l a s t i cf r a c t u r e s 、析t hs i g n i f i c a n ts h e a r e dl i p sa n dn o n em e t a ls u r f a c ed e f e c t so c c u r t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fc n g c y l i n d e r su n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e sa r es i m u l a t e dt h r o u g ha n s y s s t u d y a f t e rc o m p a r i n gt h es i m u l a t e db l a s tp r e s s u r ea n dt e s tb l a s tp r e s s u r e ，t h ec o n c l u s i o nc a l lb e d r e wt h a tt h es i m u l a t i o nm e t h o dc a nb eu s e df o rc a l c u l a t i n gt h em i n i m u mb l a s tp r e s s u r eo fc n g c y l i n d e r si ne n g i n e e r i n g ( 2 ) t h ef a t i g u el i v e so fc n gc y l i n d e r su n d e rd i f f e r e n ts t r e s sa m p l i t u d ec a nb ec a l c u l a t e d t h r o u g hv a r i o u ss p e c i f i c a t i o n so fc n gc y l i n d e r sf a t i g u et e s t s t h em a t e r i a lf a t i g u ec a l c u l a t i o n c u r v e so fc n g c y l i n d e r sa r es t u d i e da n dt h ev a r i o u ss p e c i f i c a t i o n so fc n gc y l i n d e r s sf a t i g u e i i i 浙江工业大学硕士学位论文 l i v e sa r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ec u r v e s ( 3 ) t h eo p t i m u md e s i g n so ft h ec y l i n d e r sa r es t u d i e d 埘t l la n s y s o nc o n d i t i o no f e n s u r i n gt h ef a t i g u el i f ea n dm i n i m u mb l a s tp r e s s u r eo fc n gc y l i n d e r s ，t h es t r u c t u r e so ft h e c n gc y l i n d e r sa r eo p t i m i z e d ，m a k i n gi tm o r er e a s o n a b l eo nt h e d i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n d u n i f y i n gt h e i rf a t i g u el i v e s b e s i d e s ，t h ew e i g h t so fc y l i n d e r sa r er e d u c e di ns o m ee x t e n ta n d d i s t i n c te c o n o m i cb e n e f i t sa r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：c n g ；a n s y s ；o p t i m u md e s i g n ；f a t i g u ea n a l y s i s i v 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 c n g 技术是压缩天然气技术( c o m p r e s sn a t u r a lg a s ) 的简称，是指使用特制的储气钢 瓶，在加气站通过加压设备施加2 0 - 2 5 m p a 的高压，将已经脱水、脱硫化氢后的天然气压 缩至瓶内储存，专用于替代汽车汽油的燃料。 二十世纪三十年代初，由于地理环境富气贫油，意大利首先研制了使用c n g 技术的汽 车代替传统汽车。发展到现在，已有1 3 0 万辆c n g 汽车在全世界推广应用，并配套建造了 3 0 0 0 余座c n g 力i ：i 气站【1 - 3 。中国天然气资源也非常丰富，c n g 汽车在我国的发展包括两个 阶段。6 0 年代初期，我国开发了第一代采用橡胶气包储气的c n g 汽车，气包固定于车顶， 只可行驶十几公里，即笨重又不美观；8 0 年代末期，第二代高压天然气汽车c n g 汽车在 我国研制成功，取代了气包天然气并展现出极大的优势；9 0 年代中期，c n g 汽车的推广工 作在我国展开，从1 9 9 9 年起，为治理汽车尾气对环境造成的污染，北京等1 2 个试点城市开 展了“空气净化工程一清洁汽车行动”，其中c n g 汽车的推广作为该工程的一个重点。目前， 这项活动效果突出，截至2 0 0 1 年1 0 月，全国共有c n g 汽车4 2 6 4 6 辆，建成天然气加气站1 7 3 座。北京要求i 1 12 0 0 4 年起，城市公交车达到欧洲i i 级尾气排放标准。至1 j 2 0 0 8 年，北京9 0 的客车要求装配清洁型c n g 发动机，排放量要优于欧洲i i 级尾气排放标准。综上所述，c n g 汽车在国外和国内将有广大的发展前景【4 卅。 与世界上其他国家一样，随着我国政府对环境保护工作的重视和能源结构战略设想的 调整，c n g 技术在中国也得到快速发展及推广应用，并展现出广阔的前景。c n g 技术在 环保和经济效益方面表现出来的优势开始逐渐被专家、政府、企业、民众所认识，主要分 为四个方面： ( 1 ) 环境污染 相比固体或液体燃料，天然气含碳量相对较低，作为气体燃料天然气的燃烧更为完全、 彻底。天然气燃烧时单位热值所产生的c 0 2 比煤炭低约4 3 ，比石油低约3 0 ，废气总排放 量比汽油燃料低约8 0 。随着全球温室效应、酸雨、光化学烟雾危害的加剧，若坚持使用 c n g 技术代替石油、煤炭燃料有利于环境保护，空气污染和温室效应将会大大减轻。可见， 在c n g 技术在环境污染方面比其他燃料体现出了极大优势，使用该技术的意义越来越大。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 经济效益 据报导数据统计，c n g 汽车比普通燃油汽车节约燃料费近1 3 ，延长发动机寿命2 - - 3 倍，延长大修间隔里程数2 , - - - , 2 5 万公里，可减少机油5 0 的使用量 7 1 ，下降维护维修费用成 本约4 0 。c n g 技术的应用，很大程度地降低了燃料和机车维护的成本，造成可观的经济 效益。 ( 3 ) 实用性能 中国由于石油资源严重不足而造成石油紧缺，油价一路上涨。而天然气资源相对丰富， c n g 技术的应用可在一定程度上弥补目前的困境。在冬季寒冷地区，由于c n g 热值高、挥 发性好，冷热启动驾驶性能好，具有很大的实用意义【4 ，7 ，8 。 ( 4 ) 安全性能 c n g 的压缩、储运、减压、燃烧过程由于都是在密闭状态下进行的，不易发生泄漏。 天然气比空气轻，若产生泄漏，因在高压作用下天然气迅速扩散而不易导致起火爆炸等事 故。天然气燃点比汽油燃料低，一般为6 5 0 7 0 0 ，不易发生燃烧。加工、制造都有相应 的严格标准而确保c n g 储气瓶和相关配件的安全 1 0 , 1 1 】。 我国于2 0 0 2 年统计应用c n g 技术所产生的经济和环境效益的情况，见表1 1 1 1 2 , 1 3 】。从表 中可以看出，c n g 技术特别对缓解城市汽车尾气污染，起到了良好作用带来了显著的经济 效益和环境效益。因此，要减轻汽车尾气污染，可将c n g 技术作为有利途径。据统计【1 4 1 ， 出租车改装成c n g 汽车后，每辆每天可节省约1 5 元的燃料费，一年总计达5 4 0 0 元。目前大 城市出租车司机的年收入约5 0 0 0 0 元，每年所节省的燃料费约占其收入的1 0 。可以看出， 使用c n g 汽车的经济效益和环境效益都非常可观。 2 表1 1c n g 技术替代汽油后每年产生的效益 浙江工业大学硕士学位论文 注：1 0 0 0 辆公交车统计计算数据。 采用压缩天然气( c n g ) 作为汽车燃料，是一种经济而有效的节能和环保措施，在国 内外得到迅速推广应用，并充分显示出其在经济、节能和环保方面的优越性及较好的发展 前景。随着c n g 力n 气站数量的增多，改车规模也越来越大，发展形势很好。虽然c n g 技术 的使用有非常严格的措施和标准保证安全，但天然气本身属于一级易燃、甲级防爆的危险 品，c n g 气瓶的应用和储存中特别注意安全使用。近年来先后发生了多起c n g 储气钢瓶( 包 括站用瓶和车用瓶) 爆炸事故，产生了很大的负面效应【1 5 , 1 6 】。 1 2c n g 钢瓶安全失效简述 1 2 1c n g 钢瓶工作破坏机理 影响c n g 钢瓶安全的因素主要包括应力腐蚀、氢致裂纹、疲劳三类。 ( 1 )疲劳裂纹 由于c n g 气瓶的工作周期较短，几乎每天都有一次充卸气过程。即使制造完成c n g 气瓶满足材料性能的设计要求，在长期承受交变载荷的低周疲劳作用下经过一定的循环周 期之后也可能产生疲劳破坏。气瓶在低应力状态( 低于材料的屈服极限) 下无明显塑性变形 的情况下也可能突然发生失效，这就是c n g 气瓶的疲劳破坏机理。 ( 2 )应力腐蚀裂纹( s c c ) 压缩天然气的气质问题是c n g 钢瓶产生s c c 的主要原因，钢瓶中含有的h 2 s 和游离 水结合形成的h 2 s 水溶液对造成钢瓶的腐蚀。在高压应力下，钢瓶接触硫化氢水溶液的腐 蚀介质，局部腐蚀效应而产生微小的凹痕或裂缝，并因高压钢瓶中气体内压产生的拉应力 作用，在凹痕或裂缝的根部产生裂纹，应力又使裂纹顶端的脆性氧化膜破坏，暴露出新的 阳极，钝化的裂纹侧面形成阴极，造成电化学腐蚀而进一步开裂。当钢瓶中的裂纹长度增 长到一定临界值，在应力作用下，裂纹将以极快的速度扩展而造成钢瓶破裂【1 7 】。检查多起 国内发生的c n g 钢瓶爆炸事故中的炸裂钢瓶，瓶内均积聚着伴有刺激性气味的黑水。 ( 3 ) 氢致裂纹( hi c ) c n g 气体在加气站进行脱水后会有残留的水分冷凝形成水，h 2 s 与钢瓶中的铁发生 反应生成f e s 和氢原子，氢原子汇集而产生氢鼓泡( h y d r o g e nb u b b l i n g ，简称h b ) 的成核， 3 浙江工业大学硕士学位论文 充气时小鼓泡随着气瓶中的压力升高而形成氢致裂纹( h y d r o g e ni n d u c e dc r a c k i n g ，简称 h i c ) ，裂纹随氢压的升高而扩展，引起c n g 气瓶产生氢脆断裂【1 8 l 。氢致裂纹( h i c ) 和氢鼓 泡( h b ) 的产生共有2 个原因：h 2 s 气体对c n g 气瓶的腐蚀产生的 h i 渗入到了钢材中， c n g 气瓶处于临氢环境；c n g 气瓶瓶所用的钢材中存在杂质或空穴。其形成与发生的关 键在于金属中氢浓度c h ，到达或超出临界浓度c t h ，并不需如载荷应力或残余应力等外加应 力。所以即使是c n g 气瓶在无应力状态下，c h 也会随h 2 s 浓度的升高而升高，而c m 则 和材料的显微组织与纯净度有关【1 9 】。 可以看出，气瓶由于受到应力腐蚀或氢压作用产生的应力腐蚀裂纹s c c 和氢致裂纹 h i c 两端也会由于交变应力产生的疲劳作用下加速扩展，三种破坏机理互相作用从而导致 容器的加速破坏1 2 0 。 1 2 2c n g 钢瓶结构优化与疲劳分析研究目的 c n g 气瓶在使用中由于多方面的因素相互作用存在着一定的安全隐患，由上一节可看 出其中疲劳破坏最为重要，也是导致其他破坏形式加速的关键因素。该课题是在具体工程 应用上展开，拟首先对某厂加工制造生产的3 4 c r m 0 4 钢质车载天然气气瓶进行力学性能试 验、水压爆破试验以及疲劳试验，然后通过有限元软件a n s y s 进行结构弹塑性静力分析、 疲劳分析，并对试验结果与计算机模拟计算结果进行比对分析，最后在以上分析结果的基 础上实行对气瓶进行结构优化，以提高车载高压天然气气瓶的可靠性和安全性，并减轻容 器总重量提高经济性。 1 3 结构优化设计研究现状 从理论上提出结构优化设计的是m a x w e l l l 2 2 l ，他在1 8 6 9 年研究了桁架结构的最优布局 问题，此后，对结构优化以及运动学的机构优化的研究逐步展开。但是，在相当长的一个 时期内，仅限于经典微分法和变分法的结构优化设计研究，称其为“经典优化法”。 1 9 6 0 年，s c h m i t l 2 3 】首先提出了用数学规划法求解多种载荷情况下弹性结构设计的数学 表达式，而且利用有限元法进行结构分析。s c h m i t 的研究为结构优化设计的发展和应用起 到了很大的促进作用，推动了数学规划法在结构优化设计中的应用。而随着现代计算机技 术的快速发展，也为数学规划法在结构优化设计中的应用提供了更为高效、准确的计算工 具，从而数学规划法得以在结构优化设计中推广应用。 目前实用的结构优化设计程序一般离不开结构分析。近几十年来有限元技术的发展使 采用计算手段进行复杂结构分析的目标得以实现，所以，有限元法的发展也促进了结构优 4 浙江工业大学硕士学位论文 化设计的快速发展。早期的结构优化软件往往是独立于商用有限元软件，近年来流行的方 法是在已有的商用有限元软件的基础上增加灵敏度分析和优化功能，发展成为商品化的结 构优化软件【2 4 1 。 结构优化设计已经广泛应用在航天航空、造船、工程机械、通用机械与机床、化工机 械、汽车工业、建筑机械等行业，取得了大量的研究成梨2 5 1 。 1 4 基于a n s y s 的气瓶结构优化研究现状 周金枝【2 6 】等结合a p d l 编程技术和a n s y s 的优化设计模块对压力容器封头的结构进 行了优化设计，得到满意的结果，这表明基于有限元分析的a n s y s 程序优化技术是进行压 力容器的结构设计、提高设计精度和效率的有效手段。陆昕【27 j 等采用有限元法对大型储油 罐进行有限元分析优化设计，并对其最大应力集中处进行了应力评定和强度校柱。侯静【2 8 】 等用a n s y s 软件对u 形管换热器的管板厚度进行了优化设计。高炳军【2 9 】等对高压容器球形 封头与筒体连接区建立了基于分析设计的优化数学模型，利用有限元程序提供的参数化设 计语言及优化模块建立了参数化有限元分析模型并进行了优化计算，实现了压力容器不连 续区分析设计意义上的优化设计。李虎林【3 0 l 等通过有限元软件a n s y s ，结合机械优化设计 方法，对5 0 0 m m 钛合金压力容器进行应力分析和结构优化设计。张亚新f 3 l j 针对化工典型压 力容器一高压反应器壁厚设计，以重量最小为优化目标，利用a n s y s 对该结构进行了优 化分析和设计，对计算机模拟分析中的关键影响因素进行了探讨。董龙梅【3 2 】等用a n s y s 软件对平板封头压力容器进行了应力分析和结构优化设计。高炳军【3 3 】等以高压球壳接管整 体补强锻件为例，建立准等强度原则下的优化数学模型，利用有限元程序提供的参数化设 计语言及优化模块，进行优化计算，提出一种压力容器不连续区基于分析设计的准等强度 设计原则。 1 5 气瓶疲劳分析研究现状 国内外对疲劳问题的研究发展很快，由于累积损伤理论是疲劳理论的核心问题，因此 几十年来一直是许多疲劳学者孜孜不倦进行研究的中心问题之一。p a l m g r e n 是最早进行疲 劳累积损伤研究的学者，他于1 9 2 4 年在估算滚动轴承的寿命时假设累积损伤与转动次数 成线性关系，首次提出了线性的疲劳累积损伤假设；其后m i n e r 将此理论公式化，形成了 著名的p a l m g r e nm i n e r 线性累积损伤法则【3 4 3 5 1 。但后来的研究发现该法则估算出的疲劳寿 命与实际寿命有较大出入，是由于其没有考虑加载顺序对疲劳寿命的影响，因此后来又有 s 浙江工业大学硕士学位论文 人提出其它的累积损伤理论，如著名的c o r t e n - d o l a n 非线性累积损伤理论和双线性累积损 伤理论【3 6 1 。在国内，因国产机械材料的疲劳性能参数数据缺乏，因此较晚才开始研究结构 疲劳强度的工作，但最近二十年来在结构疲劳强度方面的研究也取得了较大的进展和突 破：浙江工业大学化工机械研究所和郑州机械研究所等单位进行了大量的实验研究工作， 获得了很多常用国产机械材料的大量较系统疲劳性能参数数据，推动了我国的疲劳研究工 作 3 7 - 3 9 。 国内外对金属结构疲劳寿命的估算方法主要有名义应力法、局部应力应变法、损伤 容限设计法( 断裂力学的裂纹扩展法) 、有限单元法以及疲劳可靠性方法。以上几种疲劳 寿命估算方法都有一定的适用范围，并不能完全互相取代 4 0 1 。从目前来，看对于高周疲 劳，仍以名义应力法为佳；对于低周疲劳局部应力应变法具有先天的优越性，但它只能计 算裂纹形成寿命，需要与损伤容限设计法结合起来使用，来估算结构从裂纹产生到断裂破 坏的整体疲劳寿命。对于具有初始缺陷和裂纹零构件，显然应当使用损伤容限设计。随着 计算机硬件的快速发展，可以考虑将结构离散成有限的单元，分析结构的应力集中区域及 其疲劳敏感区域，然后根据这些区域的应力一时间历程来估算其疲劳寿命。同时为了考虑 应力与强度的分散性，提高零构件疲劳寿命估算的可靠度，可以将上面的几种方法和疲劳 可靠性的估算方法结合起来，走概率疲劳寿命估算的道路，这也是国内外疲劳寿命估算发 展的趋势【4 i j 。 莫立华【4 2 】等通过用超高强度钢瓶疲劳试验，对失效气瓶进行解剖，探讨钢瓶疲劳受载 条件下裂纹的起因、扩展模式和疲劳裂纹扩展的微观机理。阳建红【4 3 j 等对高压气瓶母材、 焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展速率及疲劳裂纹扩展速率的分散性进行实验和理论研究， 为高压气瓶的寿命预测奠定实验和理论基础。杨利芬】等简述了大容积无缝气瓶的在循环 压力试验下的疲劳寿命应不小于按分析设计标准计算出的疲劳寿命，用有限元模型和应变 计测试可简单用来保守估算气瓶的疲劳寿命。方佩珍【4 5 j 等用压力容器的基本理论和有限单 元法等对天然气贮罐的壳体、紧缩口、平盖等构件进行疲劳性能分析，确定结构及相关尺 寸是否满足该设备疲劳寿命的要求。张天平m 】等结合卫星推进系统用复合材料高压氦气瓶 产品研制，讨论了基于有限元应力应变分析基础上的金属内衬低周循环疲劳寿命和复合层 应力断裂失效可靠性。 1 6 本文的主要研究内容 本文通过对3 4 c r m 0 4 钢质车载天然气气瓶进行各项试验，有限元软件a n s y s 进行结构 6 浙江工业大学硕士学位论文 静力分析，结构优化设计，疲劳寿命估算，以提高车载高压天然气气瓶的可靠性和安全性， 减轻容器总重量提高经济性，并为气瓶的结构优化以及疲劳寿命估算提供一种工程应用的 定量分析方法。 本研究分为三个部分，第一部分对加工制造的6 种规格c n g 气瓶进行机械性能试验、 水压爆破试验和疲劳试验。得到各种规格c n g 气瓶的基本力学性能，水压爆破试验压力和 2 种试验压力条件下的疲劳寿命( 注：本论文的所有试验均在浙江上虞金盾压力容器有限 公司内完成) 。 第二部分通过有限元软件a n s y s 对现有结构的气瓶进行各种压力状态下的静力分析 与疲劳寿命分析。得到各种规格c n g 气瓶优化前的结构静力分布，模拟爆破压力与结构疲 劳寿命，并与第一部分的试验结果进行比较分析。 第三部分采用参数化建模，用a n s y s 优化模块对各个规格气瓶结构通过不同方案进 行结构优化设计。在满足强度及疲劳寿命要求的前提下，使应力分布更合理、疲劳寿命更 统一，气瓶总体质量下降。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章c n g 气瓶性能试验 2 1c n g 气瓶制造工艺 2 1 1c n g 气瓶制造方法 天然气汽车运行安全的关键在于天然气存储设备钢质无缝气瓶的安全可靠性，而 安全可靠性又受到其制造工艺的影响。到目前为止，钢质天然气瓶的制造方法有： ( 1 ) 钢管收底、收口方法( 图2 1 ) ：是采用在旋压机上通过火焰加热法将成品钢管 端部区域逐渐圆整熔合成球形封闭底部。该方法配套生产设备和占地少，壁厚较均匀，外 观好，基本无修磨量，但此工艺造成的质量上的缺陷主要有：若温度不够，容易造成底 部熔合不彻底，导致瓶底内部产生细裂纹；温度过高管端因高温而产生的氧化皮会夹杂 在瓶底区域；瓶底与筒体过度区域应力集中较大部位壁厚无法实现增厚，使用寿命( 疲 劳寿命) 短，容易出现疲劳失效。 图2 - 1 钢管收底、收口方法底部结构示意图 ( 2 ) 钢板冲压成型方法：采用钢板直接冲压成型的方法制造大直径车用c n g 钢瓶。 钢板冷挤压的瓶体壁厚均匀，钢瓶受力状态好，表面质量好，产品美观，但此工艺主要问 题在于：制造控制难度大、工艺难以掌握，生产成本非常高；制造中多次冷冲压、退火软 化，容易造成材料冲压损伤( 如开裂等) ，使用时容易出现泄漏、爆炸等安全事故；制造 中需要多次酸洗，造成环境污染或减排处理难度大。目前，意大利的f a b e r 公司部分产 r 浙江工业大学硕士学位论文 品采用此工艺。 ( 3 ) 钢坯冲压成型方法( 图2 - 2 ) ：将钢坯坯料加热冲孔后的杯形件，再经拔伸和收 口而制成气瓶的工艺。由于瓶体尺寸可通过有限元分析模拟得到最优化设计，气瓶底部属 整体冲压成型、底部与瓶体过渡部位应力集中较大区域通过设计合适的模具尺寸保证合理 增厚，可大幅度降低应力水平，增加疲劳寿命，其安全性已得到世界各国的公认，在欧美 各国钢坯冲拔式车用c n g 钢瓶是其推荐使用的钢瓶。可以肯定，钢坯冲拔式钢瓶必将成 为未来市场主流。 图2 - 2 钢坯冲压成型方法底部结构示意图 本文所研究的c n g 气瓶是某厂基于钢坯冲压成型法开发制造的材料为3 4 c r m 0 4 的钢 质车载天然气气瓶。 2 1 2c n g 气瓶生产工艺及主要装备 本文研究的c n g 气瓶加工工艺如下： 钢坯下料一前处理一立式冲压一卧式拔伸一后处理一调质热处理一检验一水压试验一 成品检验一入库。 主要生产设备： 立式压机、卧式拔伸机、钢坯整形机、6 滚滚动模、热处理炉、螺纹加工机床、试验 设备、加热炉、配套生产线。 2 2c n g 气瓶机械性能试验 按照i s o l1 4 3 9 2 0 0 0 天然气汽车高压车载气瓶标准加工制造各个规格气瓶，抽取产品 9 浙江工业大学硕士学位论文 批次中各个规格气瓶进行材料性能试验：拉伸测试和冲击测试【4 7 1 。 按照i s 0 9 8 0 9 1 中的要求取得成品气瓶的长方形测试条进行拉伸测试。代表气瓶的内 外表面的测试条的两面不切削。拉伸测试按照i s o6 8 9 2 1 9 9 8 要求进行。试验结果要求拉 伸强度应符合强度设计要求( 屈服强度o 。8 5 0 m p a 、抗拉强度o b 一9 5 0 m p a ) ，气瓶的延伸 率至少达到1 4 。 按照i s 0 1 4 8 2 0 0 6 中的要求取得成品气瓶3 个测试条进行冲击测试。按照表2 1 中要 求的方向对从气瓶的壁上取得测试条。缺口应与气瓶壁面垂直。纵向测试中，试样表面全 部加工( 6 个面) 。测试条宽度应尽可能接近气瓶公称壁厚。横向取得的试样在4 个面加工， 气瓶内外两面不加工。冲击值不得小于表2 1 中的规定。 表2 1 冲击测试取样及合格值 按以上方法对6 个气瓶进行取样试验，试验结果如表2 2 所示。 表2 2c n g 气瓶机械性能试验结果 l o 从拉伸试验结果可以看出，其中0 2 3 2x5 4 规格c n g 气瓶拉伸试验中 浙江工业大学硕士学位论文 o s = 7 6 5 m p a 8 5 0 m p a 、a b = 8 5 0 m p a 9 5 0 m p a ，不符合设计要求，其他规格均大于设计值， 满足设计要求。从冲击试验结果可以看出，各个规格c n g 气瓶均满足标准要求，但其中 q ) 2 7 9x6 4 规格气瓶冲击性能较差，其他基本一致。 2 3c n g 气瓶水压爆破试验 按照i s 0 11 4 3 9 - - - 2 0 0 0 要求，对各个规格气瓶抽取3 只气瓶进行水压爆破试验。升压 速度控制在0 5 0 m p a s ，要求最小爆破压力至少应为4 5 m p a ，记录介质温度、实际爆破压 力、开始屈服时压力、总注水量、气瓶破裂部位等，破裂部位可以产生于气瓶的圆筒部位 或封头部位。试验后，气瓶破口尺寸示意如图2 3 所示。 l h 图2 - 3 水压爆破试验破口形状尺寸示意图 水压爆破试验结果如表2 - 3 表2 8 所示。从试验结果可以看出，各个规格的c n g 气 瓶的水压爆破试验压力均大于其设计最小爆破压力( 4 5 m p a ) 。气瓶爆破后均无碎片产生， 爆破口位置均处于气瓶筒体部位中下端处，断裂形式为塑性断裂，有明显剪切唇，检查断 口金属均无表面缺陷。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 表2 - 3 2 3 2x5 4 2 8 l 水压爆破试验结果表 表2 - 4 中2 6 7x5 8 7 0 l 水压爆破试验结果表 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - 5q d2 7 9x6 4 5 0 l 水压爆破试验结果表 升压速度m p a s 介质温度 总注水量m l 实际爆破压力m p a 开始屈服压力m p a 爆破碎片 爆破口位置 主破口断裂形式 断口边缘形式 断口金属表面缺陷 破口形状及尺寸示意 t m m 6 5 o 5 0 2 4 9 4 1 5 8 5 0 3 5 0 o 无 筒体 塑性 明显剪切唇 无 l m m 4 9 0 h m m 1 8 0 t m m 6 0 0 5 0 2 5 4 2 8 1 2 4 7 3 4 2 5 无 筒体 塑性 明显剪切唇 无 l m m 4 0 0 h m m 3 6 0 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 表2 7 3 5 6x7 5 1 4 5 l 水压爆破试验结果表 浙江工业大学硕士学位论文 2 4c n g 气瓶水压疲劳试验 对加工制造的6 种规格气瓶按照i s 0 1 1 4 3 9 - - 2 0 0 0 进行试验，气瓶内充装非腐蚀性液 体油，在室温下进行压力循环试验，压力循环从2 m p a 到2 6 m p a 进行疲劳试验，压力循 环从2 m p a 到3 0 m p a 进行先漏后破试验。试验加压速率每分钟不超过lo 次循环，进行室 温压力循环试验直到气瓶破裂或至少循环4 5 0 0 0 次。气瓶在达到规定的使用寿命年限乘以 1 0 0 0 次循环前不得破裂。气瓶在超过规定的使用寿命年限乘以1 0 0 0 次循环时应是泄漏而 不是破裂。该系列气瓶的设计使用寿命为1 5 年。 试验结果如表2 - 9 至表2 1 4 所示。 表2 - 90 2 3 2x5 4 疲劳试验结果表 浙江工业大学硕士学位论文 表2 1 2 3 2 5x7 0 疲劳试验结果表 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 除了疲劳试验寿命超过4 5 0 0 0 次停止循环压力试验未失效的气瓶外，其他气瓶在试验 后均为泄漏失效，位置均在筒体上。将试验结果作应力幅一寿命图如图2 - 4 所示，从图中 可以看出：0 2 3 2x5 4 规格气瓶表现出与其他规格气瓶不同的疲劳性能。其中，2 3 2x 5 4 规格气瓶在2 m p a - - 2 6 m p a 压力循环试验下的寿命小于4 5 0 0 0 ，疲劳性能较差，与其加 工后气瓶材料屈服强度和抗拉强度不符合设计强度要求有关。其他规格气瓶在2 m p a - - - 2 6 m p a 压力循环寿命均大于4 5 0 0 0 ，疲劳性能较好。而在2 m p a - - 3 0 m p a 压力循环试验下， 2 3 2x5 4 规格气瓶总体表现较差，其中两只小于3 0 0 0 0 次大于1 5 0 0 0 次，另一只气瓶疲劳 寿命小于1 5 0 0 0 次不合格，可能由加工缺陷造成；2 6 7x5 8 、中2 7 9x6 4 规格气瓶疲劳 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 寿命均大于3 0 0 0 0 次，疲劳性能较好，；3 2 5x7 0 、0 3 5 6x7 5 、4 0 6x8 8 疲劳寿命在 2 0 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 次之间，疲劳性能较一般。i s 0 11 4 3 9 - - - 2 0 0 0 标准要求气瓶在达到规定的使 用寿命年限乘以1 0 0 0 次循环前不得破裂。气瓶在超过规定的使用寿命年限乘以1 0 0 0 次循 环时应是泄漏而不是破裂。该气瓶设计使用寿命年限为1 5 年，即在2 m p a - - 3 0 m p a 压力循 环试验下试验寿命只需大于1 5 0 0 0 次。从试验结果可以看出，气瓶试验疲劳寿命均有一定 的余量，可在满足疲劳寿命要求下进行结构优化。 2 5 本章小结 l o 1 5 x l o 2 x l o 2 5 x t 0 43 x 1 0 3 5 x l o 4 x 1 0 4 5 x l o f a t i g u el i f e ( c y c l e ) 通过对各个规格气瓶的性能试验，得到以下结论 ( 1 ) 获得了各个气瓶的屈服强度、抗拉强度及冲击值。除0 2 3 2x5 4 规格c n g 气瓶 拉伸试验中a s = 7 6 5 m p a 8 5 0 m p a 、a b = 8 5 0 m p a 9 5 0 m p a ，其他规格气瓶的材料性能均满足 设计要求。从冲击试验结果可以看出，各个规格c n g 气瓶均满足标准要求，但其中 0 2 7 9x6 4 规格气瓶冲击性能较差，其他基本一致。 ( 2 ) 获得各个规格的c n g 气瓶的水压爆破试验压力，均大于其设计最小爆破压力 ( 4 5 m p a ) 。气瓶爆破后均无碎片产生，爆破口位置均处于气瓶筒体部位中下端处，断裂形 式为塑性断裂，有明显剪切唇，检查断口金属均无表面缺陷。 ( 3 ) 获得了各个规格气瓶的疲劳寿命。气瓶疲劳寿命有一定的余量，可在满足疲劳 寿命要求下进行结构优化。 枷 啪 湖 渤 一m乱芝一m刁3兰qem占 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章c n g 气瓶结构优化及疲劳分析方法 3 1 结构分析方法 3 1 1c n g 气瓶结构 加工制造的c n g 气瓶共有六种型号，主要尺寸结构示意图如图3 1 所示，主要尺寸参 数列于表3 1 中。 图3 1c n g 气瓶主要尺寸示意图 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 3 1 2c n g 气瓶有限元计算模型 按气瓶结构尺寸，利用a n s y s 建立其剖面的轴对称模型。然后在气瓶瓶壁内部边线 上施加内压载荷，气瓶封头顶部施加端面载荷，对称轴上施加轴对称边界约束，顶部封头 处设置y 方向位移约束固定气瓶，通过求解即可获得气瓶剖面图上各点的应力分布。 应力分析中使用a n s y s 程序中的轴对称应力分析，建立模型使用的单元为p l a n e 8 2 。 该c n g 气瓶的材料力学性能见表3 2 。 表3 - 2c n g 气瓶的材料力学性能 在计算气瓶在工作压力( 2 0 m p a ) 、室温循环试验压力( 2 6 m p a ) 和先漏后破试验压力 ( 3 0 m p a ) 时按线弹性模型处理。而在计算气瓶最小爆破压力4 5 m p a 下的应力分布时需考 虑气瓶的材料非线性与几何非线性，将材料的工程应力应变转换为真实应力应变后使用多 线性等向强化模型建立气瓶材料的弹塑性本构如表3 3 ，使用该模型后材料的真实应力应 变曲线如图3 2 所示。设定分析类型为静力分析，打开预测器，激活大变形选项，子步数 设定为2 0 ，打开自动时间步长。 当计算气瓶模拟爆破压力时，由文酬4 8 枷1 可知，使用应变准则估计预测爆破压力是合 理的方法，爆破压力可以定义为d p d = 0 时对应的载荷值，等效塑性应变最大的点即为起 爆点。在计算气瓶爆破压力时，设定分析类型为静力分析，打开预测器，激活大变形选项， 子步数设定为1 0 0 ，打开自动时间步长，加载方式为载荷步等比例加载。激活弧长法，并 2 0 浙江1 = 业人学硕士学位论文 设定载荷达到第一峰值时停止程序运行，该载荷值即为气瓶模拟爆破压力川。 表3 - 3 多线性等向强化模型数据表 1 2 0 0 11 0 0 1 0 0 0 9 0 0 ，、8 0 0 罡 7 0 0 邑 6 0 0 巷 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 0 00 0 10 。0 20 0 30 0 4 0 0 50 0 60 0 70 0 8 应变 图3 - 2 真实应力应变曲线 按照表3 1 中的尺寸建立各个规格气瓶结构模型。网格使用自由划分，划分后的网格 如图3 3 所示。加载载荷和边界条件后如图3 4 所示 2 1 浙江工业大学硕士学位论文 榕体例格 简体i 叫格 图3 - 3 气瓶网格划分示意图 图3 4 气瓶载荷及边界条件图 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 疲劳分析