车用压缩天然气无缝钢瓶的设计.pdf

机械 制造 张文文 ， 等 车 用压 缩天然气无缝钢瓶 的设计 车用压缩天 然气 无缝钢 瓶的设计 张文文 ， 薛惠芳 ， 叶青 南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 2 1 1 8 0 0 摘要 车用压缩 天然气无缝钢瓶作 为汽车动力燃料的盛装容 器， 是 清洁能源 型汽车必 不可 少 的一部 分， 它 的制造 生产将促进 以气代 油作为车用燃料 的发展 。通 过对 C N G 2 0 8 02 7 9 A车 用压缩天然气钢制无缝气瓶进行受力分析和设计计算， 确定 了瓶体筒身厚度、 底部 中心厚度、 筒身长度等结构参数， 并利用A N S Y S软件对钢瓶进行强度分析 ， 验证钢瓶各参数的正确性。 关键词 压缩 天然气 ； 无缝钢瓶 ； A N S Y S ； 强度 中图分 类号 T H1 2 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 2 0 2 - 0 0 3 4 - 0 3 De s i g n o f S e a ml e s s S t e e l Cy l i n d e r f o r Ve h i c l e u s e Co mp r e s s e d Na t u r a l Ga s Z H A N G We n w e n ， X U E H u i f a n g ， Y E Q i n g N a n j i n g Un iv e r s it y o f T e c h n o l o g y ，S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o we r E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g 2 1 1 8 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Sea mles s s t ee l c y l i n d er f or v e hic leus e c ompr e s s e d na t ur al g a s is u s e d as t h e c on t aine r o f au t o mo b i l e f u e l ，whic h i s i n dis pe n s ab l e f o r t h e cle an en er g y t y p e c a r s ．I t s man u f ac t u r ing pr omo t es t h e de v e l o pme n t o f n a t a r a l g a s f u el ins t e a d o f oil f ue 1 ．Ba s ed on t h e p r e s s u r e f a c e an a l y s is an d d e s i g n c alc ula t ion o f CNG2 08 02 7 9 A s ea mle s s s t e el g a s c y li n d er ．t h e b o d y a n d bo s om c e n t er t h i c k n e s s of t h e c y l in de r an d it s b o d y len g t h c an b e d et e r mi n e d．Th e c y l in de r ’S s t r en g t h i s a n aly z e d b y u s i n g t h e s o f t wa r e o f ANSYS， t o v e r if y t h e c or r e c t n es s of t h e c y l i n d er ’ S p a r a met e r s ． K e y wo r dsc o mp r es s e d na t ur a l g a s； se a mles s s t ee l c yli n d er ； ANSYS； s t r en g t h 0 引言 天 然气是一种洁净 环保 的优 质能 源 ， 几乎 不含 硫 、 粉 尘和其他有害物质 ， 燃烧时产生的二氧化碳也少于其他化 石燃料 ， 造成的温室效应较低。我国天然气的储量丰富， 随着人们环保意识的逐渐增强， 天然气的应用范围将越来 越大。减少汽车尾气对环境的污染 ， 促进燃气汽车发展， 以气代油作为车用燃料 ， 在很多国家已经在实行 。天然气 目前的储藏和运输方式是压缩， 由于压缩天然气的压力 高 ， 在利用 的过程 中产生 了很 多安全隐患 。车用 压缩天然 气无缝钢瓶是一种较好的天然气储运装备 ， 作为汽车动力 燃 料的盛装容 器 ， 它 是 清 洁能 源 型汽 车必 不 可少 的一 部 分 。车用气瓶 的工 作特 点是 承受液 态高 压 的天然气 保 存 在 钢瓶 内， 且随车移 动 ， 因此 它 的强 度将 直接 影响 整个 汽 车的安全平稳运行 。长期以来 ， 钢质气瓶的设计依据是以 屈服强度 和常规五大标 准为基础 ， 设计 生产 中带 有一定 的 不精确性。本文参照国家标准 G B 1 7 2 5 81 9 9 8 汽车用 压缩天然气钢瓶 和经验公式 ， 选取了钢瓶的一系列结构 参数， 并在参数选取之后采用 AN S Y S有限元分析软件对 钢瓶进行 强度分析 ， 根据分 析结果验证钢瓶参 数 的正 确性 1 车用气瓶设计计算 1 ． 1 气 瓶结构简 图 设计可重复充装、 贮存压缩天然气的车用压缩天然气 钢质无缝钢瓶， 其公称工作压力 2 O MP a ， 公称容积 8 0 L， 使用温度 一 5 0℃ 一6 O℃。主要设计参数为 气瓶公称 直径 D 。 2 7 9 In m； 公称 容 量 V8 0 L ； 公 称 工作 压力 为 P 2 0 MP a ； 水 压试 验压 力 P 3 3 ． 4 MP a ； 水 压爆 破 压强 P 4 8 MP a 。气瓶结 构形 式为钢制气瓶 ， 单极孔 。 气瓶结构简 图如图 1 所示 图 1 气瓶 结构 简图 图 中 d 。 2 7 9 mm 瓶 口直径 d o 5 0 m m； 气瓶底 部外 圆半径 日1 3 9 ． 5 m n l 。 1 ． 2 气 瓶的材料和强度 车用无缝 气瓶的材 料选用 3 0 C r Mo钢 ， 热处 理后 按 照 表 1气瓶强度条件计算气瓶屈服强度保证 值和抗拉强 作者简介 张 文文 1 9 8 7 一 ， 女 ， 江苏南通 人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为机械电子工程 。 3 4 h t t p ffZ Z HD ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z H Dc h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造 与 自动化 机械制造 张 文文 ， 等 车用压缩天 然气无缝钢瓶 的设计 度取值 。 表 1 气瓶 强度 条件 1 ． 3 气瓶结构参数设定 气瓶内部受力分析如图 2所示 按强度公式 p 等[ 号 。 。 2 _ d 2 】 ≤ ] 图 2 气瓶 内部受 力图 计算圆整后取气瓶筒体最小壁厚 t 为7 ． 8 mm。根据 G B 1 7 2 5 8 1 9 9 8标准规定， 气瓶简体最小壁厚还须满足 公式 ￡ l ≥D o ／ 2 5 01 2 所以取气瓶简体最小壁厚 t ． 为 7 ． 8 m m。 对于底部中心最小厚度 ， G B 1 7 2 5 81 9 9 8标准规定 当 H ／ D 0 ≥0 ． 4 0时 ， t ≥ t ， ， 底 部 中 心 最 小 厚 度 t 取 值1 2m m。 筒体段长度计算 了4 丌 譬 一 譬 一 t 耵 字 一 ￡ c s ， V 8 0 ， 由于钢瓶 的水容 积允 许 偏差 为 05 ％ ， 所 以 有 8 0 ≤V 8 4 ， 气瓶简体平均壁厚 t 。 取值 7 ． 8 m m， t 取值 1 2 m m， 得到 1 2 9 9≤L ≤1 3 7 2 ， 所以气瓶筒体段长度 取值为 1 3 0 0mi l l 。 2 有 限元模型 的建 立及分 析 作为一种运用计算 机工具的数值分析方法 ， 有限元分 析技术 已经取得 了巨大的成功 ， 应用 的领域从力学分析拓 展到各类物理场的分析 ， 此外， 还广泛用于产品结构设计、 热传导、 屈曲分析及其他科学研究领域。A N S Y S软件具 有 良好的数据库管理 和强大的前后处理功 能 ， 本文 以车用 压缩天然气无缝钢瓶为例 ， 利用 A N S Y S软件对其进行分 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au to ma t i o n ，A p t 2 0 1 2 ， 4 1 2 3 4～ 3 6 ， 4 D 析， 从而验证其强度是否满足设计要求。 2 ． 1 选择 单元类型 A N S Y S提供了 1 2 0多种单元类型， 比如用于结构分 析的有一维杆单元、 二维梁单元、 三维梁单元 、 不同节点 的平面单元 、 不同节点 的三维块单元、 壳单元等。因此 选用 合适 的单元类 型是进行有 限元分析 的基点 。这 里由 于车用无缝钢瓶是由材料为 3 0 C r Mo的毛坯钢， 经过旋 转收底、 收口而成的结构 ， 故选取3 D实体单元 S o l i d 4 5进 行分析， s o l i d 4 5单元用于构造三维实体结构， 单元通过 8 个节点来定义， 每个节点有 3个沿着 x y z 方 向平 移的自 由度 。 2 ． 2 定义材料属性 A N S Y S中的所有分析都需要输人材料属性， 根据应 用 的不 同 ， 材料可 以是 线 性或非 线性 、 各 向同性 、 正 交异 性或 非弹性、 不 随温度 变化 和随温度变化。气瓶材料的弹 性模量 E 2 ． 1 e ” 和材料 的泊松 比 u 0 ． 2 8 。 2 ． 3 建立有 限元模型 无缝气瓶具有结构对称性， 可看作某一平面经旋转之 后 ， 得到与结构其余部分在形状、 物理性质、 载荷情况和约 束条件等完全一致的特性。结构与对称性的利用就是根 据分析结构的对称特性， 只取结构的一半获知若干分之一 进行分析 ， 这样也 可以大大减少 计算 机分析所需计算时问 和存储容量。但此时要注意的是施加边界条件时， 确定对 称面上的节点施加必要的位移约束条件 ， 使约束条件具有 连续 性。考虑到模型的对称性和载荷对称特点 ， 建模时采 用 1 ／ 4模 型 ， 截面处施加 面对称 约束 。 2 ． 4 划分 网格 有限元模型的求解规模、 精度及时问与划分后网络的 疏密有直接的关系。求解结果的准确与否也取决于网络 的品质 。因此 ， 要 根据有限元模型建立的准则检查划分 的 网络 ， 对 于不符合 准则 的地 方进行 重新修 改并再 次划 分 ， 直至建立合理的有限元模型， 为获得正确的结论做好准 备。映射网格划分后如 图 3所示 图 3 网格划分后的气瓶模型 3 5 机械制造 张文文， 等 车用压缩天然气无缝钢瓶的设计 2 ． 5施加载荷及 边界条件 对模型施加约束条件和载荷可以在网格划分之前 ， 也 可以在网格划分之后 ， 即可以在实体模型上加载， 也可以 在 F E A模型 节点或单元 上加载。无论采用哪种加载方 式 ， A N S Y S求解器都将载荷转化到有限元模型， 因此加到 实体模型上的载荷将 自动转化到其所在的节点或单元上。 对于文 中的气瓶分析 ， 是将其截面加面对称约束， 在其瓶 身 内部施加均布载荷 P3 3 ． 4 E 6 。 3求解 与分析 根据上文所建立 的模 型和施加 的载荷 条件 ， 对 无缝气 瓶进行有限元分析， 得出无缝气瓶在内部载荷的作用下所 产生的等效位移云图 图4 和等效应力云图 图5 。 图 4 等 效位移云 图 图 5 等效应 力云图 由位移云图和等效应力云图的分析数据可以看出。 沿 气瓶瓶身同一圆截面处应力值基本相同， 且位移基本相 同 ， 与理论知识 相符合 。气瓶瓶 身筒 体处出现最大应 力值 5 3 2 MP a ， 在瓶 口处出现最大位移 0 ． 0 4 5 9 5 4 m。 4 结语 用 A N S Y S分析软件 时 ， 在合理简化模 型、 正确加载 与 约束下， 可以快速和深入地对复杂结构进行分析， 提高了 计算精度和效率， 计算结构形象直观。对车用压缩无缝气 瓶 进行 A N S Y S应力分 析 ， 得到 了 由理论 计算 所选 取 的结 构参数下无缝气瓶的应力分布， 由应力分布可知， 在瓶身 圆筒部分出现最大应力 5 3 2 MP a ， 但该处的应力仍小于气 瓶的屈服极 限 ， 所 以可认 为计算 后所选 的结构参数满 足气 瓶的强度要求 ， 并可 以运用 于实 际的生 产加工 中， 为 以后 的设计加工提供了科学依据。 下转 第 4 O页 上 接第 4页 料耐 磨性能的影响 [ J ] ．中国有 色金属学报 ， 2 0 0 6 ， 1 6 1 8 48 8． [ 2 2 ]马国亮 ，田伟 ， 王铀．纳米稀土氧化物对铝合金 硬度和耐磨 性的影响 [ J ] ．材料热处 理学． [ 2 3]HU G HE S A E， T A YL O R R J ， N E L S O N K J H， e t a1．C h a r a c t e r i z a t i o n o f s u rfa c e p r e pa r a t i o n o f 2 0 2 4 alu mi n u m all o y f o r c o n - v e r s i o n c o a t i n g [ J ] ．Ma t e r S c i T e c h n o l ，1 9 9 6 ，1 2 1 1 9 2 8～ 9 3 6． [ 2 4 ]朱祖芳 ．铝合金 阳极氧化与表 面处理技术 [ M] ．北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 5 ]T h o mp s o n G E ．P o r o u s a n o d i c a l u m i n a F a b r i c a t i o n， c h a r a c t e r - i z a t i o n a n d a p p l i c a t i o n s [ J ] ．T } I i n S o l i d F i l ms ， 1 9 9 7 ， 2 9 7 1 9 2 ～ 2 01 ． [ 2 6 ]Ye rok h i n A L ，S n i z h k o L O， L e y l a n d A， e t a1．D i s c h arg e c h a r - a c t e r i z a t i o n i n p l a s ma e l e c t ro l y t i c o x i d a t i o n o f a l u mi n i u m[ J ] ． I ns t i t u t e Ph y s i c s P u b l i s h i n g，2 00 3，3 62 1 1 0 ～2 1 2 0． [ 2 7 ]胡正前 ，龚建飞 ，马晋 ， 等 ．Z L 1 0 8铸 造铝合金 微弧氧化 特 3 6 性研 究[ J ] ．热加工工艺 ，2 0 0 5， 7 1 ～2 ． [ 2 8 ]狄士春 ，潘明强．钢铁铝镁钛 及其合 金微 弧氧化技 术 [ J ] ． 纺织机械 ， 2 0 0 6 ， 5 4 7～ 5 1 ． [ 2 9]【 J u J ．P r o c 4 t h I n t e r C o n f o n R e s i d u al S t r e s s e s ， B a l t i m o r e S o c Ex p Me c h a n i c s ，1 9 9 41 1 5 4 [ 3 O]L u K，L u J ．C h i n e s e P a t e n t 9 9 1 2 2 6 7 0 ． 4 ，1 9 9 9 ． [ 3 1 ]L u K， L u J ．S u rf a c e n a n o r y s t a l l i z a t i o n S N Co f me t all i c ma t e ri a l s p r e s e n t a t i o n o f t h e c o n c e p t b e h i n d a n e w a p p r o a c h [ J ] ．J Ma t e r S c i T e c h n o l ，1 9 9 9；1 5 3 1 9 31 9 7 ． [ 3 2]L iu G， Wa n g S C， L o uX F， L u J ，L u k ．L o w c arb o n s t e e l w i t h n a n o s t r u c t u r e d s u r f a c e l a y e r i n d u c e d b y h i g h e n e r g y s h o t p e e - n i n g [ J ] ．S c r Ma t e r ， 2 0 0 1 ； 4 41 7 9 11 7 9 5 ． [ 3 3 ] 侯利锋， 卫英慧， 刘宝胜， 等． A Z 9 1 D镁合金表面机械研磨 处理后显微结构研 究[ J ] ．稀有金 属材料 与工程 ， 2 0 0 8， 3 7 4 5 3 05 3 3 ． 收稿 日期 2 0 1 1 0 81 4 h t t p ∥Z Z H D． c h i n a j o u r n a1． n e t ． e n E ma il Z Z H Dc h a in a j o u r n a1． n e t ． e n 机械制造与 自动化 机械制造 苏国强 ， 等 气动点焊伺服焊枪 实验 平 台及故 障模 式研 究 a T 1 为伺服焊枪不工作。焊枪不工作共有两种故 障形式 1 系统通电初始阶段时， 伺服焊枪就不能工作 ； 2 在焊接循环过程 中 ， 系统 运行 某一程 序过 程 中不动作 。 前者引起 的原因 比较 多 ， 比如焊 枪运行 参数 设置 错误 、 系 统电源故障、 阀的故障等等。而后者引起的因素 ， 往往是 焊接过程中出现突发事件或者故障， 例如温度传感器检测 焊枪电极力温度超过工作温度范围， 必须使焊枪停止工 作。此故障树绘制时， 是以焊枪电极不能伸出实现焊接过 程的故障为例。 b T 2为气缸速度变慢或者爬行 。在气动控制系统 中影响气缸运动 速度 的因素大致有气 源压 力、 气缸摩擦力 的变化以及气缸进气流量以及排气节流 V I 面积等等。对 于气动点焊伺 服焊枪而言 ， 影响活塞运动速度 的因素还与 活塞速度设定值 ， 以及焊接钢板板厚数据设置有关。一般 汽车点焊焊接钢板厚度为 0 ． 8 mm， 若将此数值设置错误 设置值远远大于实际板厚 ， 则将导致系统在电极离焊 接位置 较远距离时 ， 就启动 “ 电极缓 冲软接 触 ” 程序 ， 从 而 引起气缸运动速度变慢； 此故障树绘制时， 是以焊枪电极 伸出时速度变慢或者爬行的故障为例。 c T 3为伺服焊接力不足或者无焊接力。焊接力是 影响焊接品质的一个重要因素， 伺服点焊焊枪出现“ 伺服 焊焊接力不足或者无焊接力” 这类故障可能是由于人为 因素 焊接力数值设置错误 、 压力传感器 I 失效 反馈信 号远远超出实际压力值 、 电极位置、 管路漏气以及气源 压力低等因素引起的。 对于由前两个因素引起的故障现象明显的区别 于后 几个因素引起 的故障； 前者可以完成各个点位的焊接过 程 ， 即虽然焊接力并非工程要求值 ， 但上位机根据程序判 断各点位焊接力符合设定目标， 因此焊枪不会停止后面程 序运行 ； 而后者则会 引起焊 接 电极 一直停 止在 焊接 位置 ， 直至实现设 置的伺服焊接力 ， 否则不会进入下个 程序动过 的运动 。 d r r 4为无法实现电极缓冲软接触。缓冲软接触即在焊 枪电极运行至焊接位置某一距离时， 以缓慢速度行至焊接位 置， 实现电极与焊件的软接触， 避免由于冲击碰撞对焊件和 焊接电极造成损伤。引起这一故障的原因主要有两个 1 由 于气缸排气侧节流口开度较大， 不能形成有效背压 ； 2 位置 传感器失效， 位置反馈信号小于实际活塞位移值。 e T 5为平衡 气 缸不 动作 。平衡 气 缸 是 由两个 比例 压力阀控制 ， 在点焊焊接 时通过 改变两腔 的压力使 焊枪 处 于浮动位置， 即焊接时重力平衡位置。若 系统在供 电电 源 、 比例 压力阀 、 总线 通信处于正常工况下 ， 影 响平衡气 缸 动作 内部 系统因素有两个 ， 1 焊枪 电极 是否运行至 V位 ； 2 平衡气缸两腔 压力的数据设置 。 f T 6为平衡气缸反向动作。对于在焊接过程中出现 平衡气缸反向动作， 大致有两个原因， 1 在日常检查维护 中或管路更换时， 将两个 比例阀输出口与平衡气缸对应两 腔接 口接反。2 人为数据设置不当。由于平衡气缸两腔 的压力 之和为 0 ． 9 MP a ， 若有 杆腔室压力设置 为 0 ． 4 MP a ， 则无杆腔压力 自动调整为0 ． 5 MP a 。 若平衡力数据设置错 误 ， 就会造成 平衡气缸 的反 向动作。 4 结论 为了研究气动点焊伺服焊枪系统的主要故障模式， 以及 寻求相应的快速处理对策 ， 首先搭建了一个元器件分离 的模 拟实验平台； 并基于此实验平台， 通过不同故障点位和元器 件失效的设置， 分析总结系统出现的故障； 最后本文以故障 树形式对主要故障模式进行了研究分析， 实现对故障的原因 快速定位与及时排除， 确保气动点焊伺服焊枪正常工作。 下转 第 6 1 页 上接第 3 6页 参考文献 [ 1 ]许 贤泽 ， 李 志明． 基于有 限元 分析 的钢质 压缩 天然气 气瓶设 计 [ J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 0 ， 2 l 6 ． [ 2]潘 卫军 ． 钢 质压 缩天 然气 瓶式 压力 容器 的有 限元应 力分 析 [ J ] ． 科教 文汇 ， 2 0 0 7 ， 1 1 7 7 1 7 8 ． [ 3 ]马鸣图 ， 李志刚 ， 李红兵 ． 燃气汽 车气瓶用钢 的力学性 能研究 『 J ] ． 汽 车工艺与材料 ， 2 0 0 2， z 1 5 0 - 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