蔣程程, 蔡永梅，謝禹鈞

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

LNG罐式集裝箱內(nèi)筒強(qiáng)度儲備分布及設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)

蔣程程, 蔡永梅，謝禹鈞

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

LNG罐式集裝箱是運(yùn)輸液態(tài)天然氣的設(shè)備，較比CNG（壓縮天然氣）裝置，它具有更大的單車運(yùn)輸量。LNG罐式集裝箱裝載的介質(zhì)為低溫，易燃。對其結(jié)構(gòu)的安全分析是十分重要，必須對設(shè)備的各個(gè)部分強(qiáng)度進(jìn)行詳盡的分析。對LNG罐式集裝箱罐體實(shí)際承載情形進(jìn)行了模擬，通過有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，給出了LNG罐式集裝箱罐體的應(yīng)力分布，分析了關(guān)鍵部位的強(qiáng)度儲備，并提出了罐體改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案。

LNG罐式集裝箱；罐體；強(qiáng)度儲備

目前LNG罐式集裝箱是全球運(yùn)輸液態(tài)天然氣設(shè)備之一，也是管道輸送天然氣以外的陸路運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備。由于運(yùn)輸路線復(fù)雜多變，導(dǎo)致近年來運(yùn)輸事故頻繁發(fā)生，所以對其設(shè)備各個(gè)部件的設(shè)計(jì)[1-5]，各種工況下強(qiáng)度分析非常重要，本文依據(jù)中國船級社《集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范-2012》和 JB/T4784-2007《低溫液體罐式集裝箱》對LNG罐式集裝箱的內(nèi)筒進(jìn)行應(yīng)力分析，以下是通過CAE軟件對罐式集裝箱內(nèi)筒體進(jìn)行建模分析[6-8]，得出筒體強(qiáng)度及位移分布狀態(tài)，最后通過筒體的強(qiáng)度校核提出了合理設(shè)計(jì)方法。

1 問題描述

以43 000 L罐式集裝箱圓筒為例，考慮內(nèi)筒在最大允許載荷下，能夠承受的四種靜態(tài)力工況。筒體材質(zhì)選用s30408，基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters

利用ANSYS軟件建立內(nèi)筒模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和載荷特性，采用了1/2軸對稱的力學(xué)模型。如圖1所示，采用具有中節(jié)點(diǎn)的六面體solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置圓周方向線段的剖分?jǐn)?shù)為20，筒體軸向剖分?jǐn)?shù)為40，厚度方向線段的剖分?jǐn)?shù)為1，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型接觸區(qū)應(yīng)加密網(wǎng)格，如圖2所示。取設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量E=1.95×1 05MPa ,泊松比μ=0.3。

2 分析計(jì)算

對模型設(shè)定軸向位移約束，保證筒體不出現(xiàn)整體移動，并對筒體內(nèi)表面施加壓力和相應(yīng)的載荷。罐體在運(yùn)輸中會出現(xiàn)不同的載荷組合情況[2]，因此根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定載荷組合工況如表2所示。

表2 載荷組合工況Table 2 The working condition of load combination

四種工況下筒體所受慣性力大小具體數(shù)值如下:

①運(yùn)動方向（縱向）：額定質(zhì)量的兩倍重力加速度2mg。

通過計(jì)算得出封頭上應(yīng)施加壓力為：P=247198(Pa)。

②與運(yùn)動方向成直角的水平方向：額定質(zhì)量的一倍重力加速度mg。

通過計(jì)算得出罐體側(cè)面應(yīng)施加壓力為：P=8417(Pa) 。

③垂直向上：額定質(zhì)量的一倍重力加速度mg。

通過計(jì)算得出罐體上半部應(yīng)施加壓力為：P= 8417(Pa)。

④垂直向下：額定質(zhì)量的兩倍重力加速度mg

通過計(jì)算得出罐體下半部應(yīng)施加壓力為：P= 16833(Pa)。

各工況下的第三強(qiáng)度當(dāng)量應(yīng)力分布云圖和位移云圖分別為圖3-10所示。應(yīng)力單位為MPa，位移單位為mm。

圖1 筒體模型一分析模型Fig.1 The cylinder model analysis model

圖2 筒體模型一網(wǎng)格Fig.2 Grid shell model

圖3 工況1 位移分布云圖Fig.3 The working condition 1 displacement distribution nephogram

圖4 工況1 應(yīng)力分布云圖Fig.4 The working condition 1 stress distribution nephogram

圖5 工況2位移分布云圖Fig.5 The working condition 2 displacement distribution nephogram

圖6 工況2 應(yīng)力分布云圖Fig.6 The working condition 2 stress distribution nephogram

圖7 工況3 位移分布云圖Fig.7 The working condition 3 displacement distribution nephogram

圖8 工況3 應(yīng)力分布云圖Fig.8 The working condition 3 stress distribution nephogram

圖9 工況4 位移分布云圖Fig.9 The working condition 4 displacement distribution nephogram

圖10 工況4 應(yīng)力分布云圖Fig.10 The working condition 4 stress distribution nephogram

3 校 核

通過應(yīng)力狀態(tài)云圖發(fā)現(xiàn)4種工況最大應(yīng)力都出現(xiàn)在一端封頭與內(nèi)筒體連接區(qū)域應(yīng)力大于其他地方，主要是由于模型的形狀突變，封頭與筒體壁厚突變所引起的。

工況1一端封頭與內(nèi)筒體連接區(qū)域所受沖擊應(yīng)力大于其它工況，筒體所受壓力沿軸線向另一端封頭呈現(xiàn)逐漸遞減，整個(gè)筒體受力比較均勻。位移也呈均勻梯度遞增。封頭另一端位移量最大。

工況2較比工況1一端封頭連接區(qū)受力有所變小，筒體中部受力增大，位移量分布也相應(yīng)有所變化。

工況3較比工況2封頭連接區(qū)受力減小，筒體受力變得均勻，位移量在筒體中部出現(xiàn)最大。

工況4較比工況3封頭連接區(qū)受力增加，筒體力分布變得更加均勻，位移量最大處靠近封頭另一端即臨近筒體。

根據(jù)JB4732——95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》將危險(xiǎn)截面采用等效線性化處理，對校核截面上的應(yīng)力進(jìn)行分解，分別歸入一次總體薄膜應(yīng)力（Pm）；一次局部薄膜應(yīng)力（PL）；一次彎曲應(yīng)力（Pb）；二次應(yīng)力（Q）；峰值應(yīng)力（F）[9-11]。通過以上分析，共選取了4條危險(xiǎn)路徑，如圖11所示，評定結(jié)果見表3。

通過計(jì)算，本文中的罐體在一端封頭與筒體連接區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力較大，根據(jù)受力分布，可以在罐體受力較大的一端采用加長筒體再削邊，將筒體長度延長微小長度,相應(yīng)地封頭減少微小長度,在微小長度范圍內(nèi)將筒體削邊,這就相當(dāng)于球心位置不變,在微小長度范圍內(nèi)對球殼進(jìn)行了局部加厚,這樣就可以使罐體總體受力更加均勻，然后再適當(dāng)總體減小壁厚，可以達(dá)到節(jié)省材料，真正做到優(yōu)化[12]。

4 結(jié) 論

通過對LNG罐式集裝箱的安全評定，結(jié)合應(yīng)力強(qiáng)度圖可分析出應(yīng)力變化，進(jìn)而可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的改進(jìn)，對受力較小的區(qū)域可以適當(dāng)減薄，對受力較大地方要適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)或者加厚壁厚。這樣既節(jié)省了材料，也降低了工程運(yùn)輸成本。

圖11 模型一應(yīng)力線性化路徑Fig.11 Stress linearization model path

表3 各應(yīng)力評定路徑的評定結(jié)果Table 3 The assessment results of the stress evaluation path

［1］GB150-1998鋼制壓力容器[S]．

［2］集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范-2012[S].

［3］JB/T4780-2002液化天然氣罐式集裝箱[S].

［4］JB/T4784-2007低溫液體罐式集裝箱[S].

［5］JB4732-1995鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

［6］于偉煒，高炳軍等.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電社,2007:84-97.

［7］王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［8］顏云軍，謝里陽，韓清凱.結(jié)構(gòu)分析中的有限單元法及其應(yīng)用[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2008.

［9］劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

［10］郜愿鋒，李明，張旭.壓力容器球形封頭與筒體連接結(jié)構(gòu)分析[J].鍋爐制造，2010:53-55.

［11］胡宗柳，吳明，劉永峰，等.基于有限元法的球罐強(qiáng)度可靠性分析[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,31（4）:26-28.

［12］陸明萬，徐鴻.分析設(shè)計(jì)中若干重要問題的討論（一）[J].壓力容器,2006，23(1)：15-19.

LNG Tank Container Inner Barrel Strength Distribution and Points for Attention in the Design

JIANG Cheng-cheng, CAI Yong-mei, XIE Yu-jun
（College of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

LNG tank container is an equipment to transport liquefied natural gas. Compared with CNG (compressed natural gas) device, it has bigger loading. Goods in LNG tank container are low temperature or flammable, so safe analysis of LNG tank container structure is very important, it is important to detailedly analyze the strength of all parts of the equipment. In this paper, LNG tank container tank under actual burden was simulated; stress distribution of LNG tank container tank was obtained through the finite element stress analysis, the strength reserve of important parts was analyzed, and improving design plan of the tank was put forward.

LNG tank container ; Tanks; Strength reserve

TQ 051

A

1671-0460（2014）12-2555-03

2014-04-29

蔣程程（1988-），女，遼寧撫順人，在讀研究生，研究方向：LNG罐式集裝箱評定。E-mail：798131826@qq.com。