宋志江，武常生，崔聞天，楊利芬，李桂苓

(新興能源裝備股份有限公司，河北 邯鄲 056017)

?

基于ANSYS Workbench CNG捆綁式長管拖車有限元分析

宋志江，武常生，崔聞天，楊利芬，李桂苓

(新興能源裝備股份有限公司，河北 邯鄲 056017)

摘要:捆綁式長管拖車的設(shè)計(jì)相對于框架式長管拖車，省去了框架，進(jìn)而減輕了整車重量，拖車可以裝配更大、數(shù)量更多的氣瓶，節(jié)省了運(yùn)輸成本，提高了運(yùn)輸效率。為適應(yīng)市場發(fā)展，新開發(fā)了一種捆綁式CNG長管運(yùn)輸拖車，通過建立整車有限元模型，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用ANSYS Workbench有限元分析軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)工況下的有限元分析，得出相應(yīng)的變形云圖與應(yīng)力云圖，驗(yàn)證了捆綁式拖車設(shè)計(jì)上安全性與可靠性，大大降低了設(shè)計(jì)周期與設(shè)計(jì)成本。

關(guān)鍵詞:捆綁式長管拖車；三維建模；有限元分析；安全可靠性

隨著能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與環(huán)境保護(hù)壓力的巨大要求，更為清潔的天然氣能源得到越來越大的發(fā)展，天然氣的異地運(yùn)輸量與日俱增，天然氣運(yùn)輸雖然以管網(wǎng)運(yùn)輸為主，但管網(wǎng)建設(shè)周期長、成本高，每公里造價(jià)在500～2600萬元；非管網(wǎng)運(yùn)輸具有運(yùn)輸便捷、成本小，所以較為便捷的非管網(wǎng)運(yùn)輸設(shè)備高壓氣體長管拖車得到越來越多的應(yīng)用。目前高壓氣體長管拖車主要有框架式和捆綁式兩種，捆綁式長管拖車相對于框架式拖車省去了框架，減輕了整車重量，可以承載數(shù)量更多或容積更大的氣瓶，提高了運(yùn)輸效益，節(jié)約了運(yùn)輸成本。

1捆綁式長管拖車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CNG高壓氣體長管運(yùn)輸拖車屬于?；愤\(yùn)輸車輛，國家有一系列的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對其設(shè)計(jì)、制造、使用及檢測有著嚴(yán)格的要求，尤其近年來，?；愤\(yùn)輸車輛的生產(chǎn)與使用越來越多，安全事故也變的越發(fā)頻繁，所以捆綁式長管拖車的設(shè)計(jì)在盡可能提高容積的條件下，尤其要保證其使用過程中的安全可靠性。

本捆綁式長管拖車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分捆綁式上裝結(jié)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)兩大部分。捆綁式上裝結(jié)構(gòu)又可細(xì)分為前端安全裝置、前后立板、大容積鋼制無縫氣瓶、后端操作管路、前后拉桿、捆綁帶等結(jié)構(gòu)件。8只大容積鋼制無縫氣瓶通過法蘭連接到前后立板上，前后立板通過螺栓連接到底部角鋼上，角鋼焊接到底部行走機(jī)構(gòu)上，前后拉桿，通過螺栓連接到立板與行走機(jī)構(gòu)上，捆綁式長管拖車結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　捆綁式高壓氣體長管運(yùn)輸拖車

2捆綁式長管運(yùn)輸拖車有限元模型建立

2.1整體模型建立

本次采用Pro/ENGINEER4.0三維實(shí)體建模軟件進(jìn)行捆綁式長管拖車設(shè)計(jì)建模，把建立好的氣瓶、前后立板、拉桿、行走機(jī)構(gòu)等零部件模型，在Pro/E中按照約束關(guān)系和裝配關(guān)系進(jìn)行裝配，最后建成拖車整車模型。在建立模型時(shí)，為了節(jié)省分析計(jì)算時(shí)間，同時(shí)不影響分析要求的情況下，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，本次分析簡化原則有以下三點(diǎn)：

1.本次分析主要是驗(yàn)證該拖車主要零部件在承受載荷時(shí)的安全可靠性，如氣瓶、法蘭、前后立板、前后拉桿、行走機(jī)構(gòu)等，對非主要受載零部件進(jìn)行省去，如前端安全裝置、操作管路、行走機(jī)構(gòu)的支腿、車軸、側(cè)防護(hù)等進(jìn)行省去分析；

2.對所有焊縫處視為固體連接，當(dāng)做整體考慮分析；

3.對模型影響很小的小孔、倒角進(jìn)行忽略分析。

2.2定義材料屬性

為了盡可能的提升氣瓶總?cè)莘e、提高運(yùn)輸效率，拖車主要材質(zhì)大多采用高強(qiáng)度鋼材。氣瓶為大容積鋼制無縫氣瓶，材質(zhì)為34GrMo4，具有較高的強(qiáng)度與良好的塑性；前后立板材質(zhì)為鋼板HG785,前后拉桿采用20#鋼；行走機(jī)構(gòu)車架采用鋼板BS700高強(qiáng)鋼，各材質(zhì)力學(xué)性能見表1。

表1　長管拖車主要材質(zhì)力學(xué)性能表

2.3網(wǎng)格劃分

采用四面體單元、六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對局部受力較大區(qū)域等進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化、控制網(wǎng)格尺寸，該長管拖車模型共劃分單元數(shù)42552、節(jié)點(diǎn)數(shù)118729。

2.4載荷與約束的添加

2.4.1載荷的添加

根據(jù)TSG R0005—2011《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，在進(jìn)行長管拖車有限元分析計(jì)算時(shí)，長管拖車及其系固件在其所允許的最大負(fù)荷下應(yīng)能承受單獨(dú)施加的靜力，靜力包括運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榭傎|(zhì)量的兩倍乘以重力加速度2g；與運(yùn)動(dòng)方向成直角的水平方向1g；豎直向上1g；豎直向下2g。

2.4.2約束的添加

對長管拖車施加靜力載荷后，對縱梁下方的6個(gè)墊片施加全位移約束為零；牽引銷圓柱面施加X和Y方向都為零，Z向自由(free)的約束；牽引銷下端面和牽引板的整個(gè)下表面施加Z=0，X、Y都為free的約束,建立好的有限元模型見圖2。

圖2　長管拖車有限元模型

2.5分析結(jié)果的判定

分析完畢后，長管拖車不應(yīng)出現(xiàn)影響正常使用的永久性變形和異狀，其尺寸仍能滿足裝卸、固縛和換裝作業(yè)的要求，且最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，即判定結(jié)果為合格，否則為不合格。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)驗(yàn)前后立板及拉桿的安全系數(shù)取1.5，車架的安全系數(shù)考慮拖車在行駛過程中受到彎曲、扭轉(zhuǎn)等工況，取安全系數(shù)為2.5，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 11120：2015中相關(guān)規(guī)定，氣瓶的許用安全系數(shù)按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中，n為許用安全系數(shù)；Re為氣瓶屈服強(qiáng)度，MPa；Rg為氣瓶抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)上述安全系數(shù)，求得相應(yīng)材質(zhì)許用應(yīng)力，前后立板許用應(yīng)力為433 MPa，前后拉桿許用應(yīng)力為230 MPa，氣瓶許用應(yīng)力為591 MPa，底部行走機(jī)構(gòu)許用應(yīng)力為292 MPa。

3相應(yīng)載荷工況下的有限元分析

3.1運(yùn)動(dòng)方向2g載荷有限元分析

在運(yùn)動(dòng)方向加載2g載荷時(shí)，拖車整車應(yīng)力分布如圖3所示，氣瓶應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為533.09 MPa；行走機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為235.52 MPa，如圖4所示；立板最大應(yīng)力為381.53 MPa，如圖5所示；拉桿最大應(yīng)力為127.74 MPa，如圖6所示。

圖3　運(yùn)動(dòng)方向2g載荷整車應(yīng)力分布圖

圖4　運(yùn)動(dòng)方向2g載荷行走機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖5　運(yùn)動(dòng)方向2g載荷立板應(yīng)力分布圖

圖6　運(yùn)動(dòng)方向2g載荷拉桿應(yīng)力分布圖

3.2與運(yùn)動(dòng)方向成直角的水平方向1g載荷有限元分析

在水平方向加載1g載荷時(shí)，拖車整車應(yīng)力分布如圖7所示，氣瓶應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為533.08MPa；行走機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為189.39MPa，如圖8所示；立板最大應(yīng)力為340.43MPa，如圖9所示；拉桿最大應(yīng)力為135.59MPa，如圖10所示。

圖7　水平方向1g載荷整車應(yīng)力分布圖

圖8　水平方向1g載荷行走機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖9　水平方向1g載荷立板應(yīng)力分布圖

圖10　水平方向1g載荷拉桿應(yīng)力分布圖

3.3豎直向上1g載荷有限元分析

在豎直向上加載1g載荷時(shí)，拖車整車應(yīng)力分布如圖11所示，氣瓶應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為533.04MPa；行走機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為169.09MPa，如圖12所示；立板最大應(yīng)力為326.3MPa，如圖13所示；拉桿最大應(yīng)力為114.66MPa，如圖14所示。

圖11　豎直向上1g載荷整車應(yīng)力分布圖

圖12　豎直向上1g載荷行走機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖13　豎直向上1g載荷立板應(yīng)力分布圖

圖14　豎直向上1g載荷立板應(yīng)力分布圖

3.4豎直向下2g載荷有限元分析

在豎直向下加載2g載荷時(shí)，拖車整車應(yīng)力分布如圖15所示，氣瓶應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為533.35MPa；行走機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為178.8MPa，如圖16所示；立板最大應(yīng)力為338.8MPa，如圖17所示；拉桿最大應(yīng)力為120.3MPa，如圖18所示。

圖15　豎直向下2g載荷整車應(yīng)力分布圖

圖16　豎直向下2g載荷行走機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布圖

圖17　豎直向下2g載荷立板應(yīng)力分布圖

圖18　豎直向下2g載荷拉桿應(yīng)力分布圖

4四種加載下有限元結(jié)果分析總結(jié)

本文分析了CNG捆綁式長管拖車在運(yùn)輸過程中受到慣性力作用下的有限元分析，對這4種加載結(jié)果的應(yīng)力分布云圖列表進(jìn)行分析對比，見表2。

5結(jié)束語

本次研發(fā)設(shè)計(jì)的CNG捆綁式長管拖車，具有容積大，壓力高等特點(diǎn)，大大提高了運(yùn)輸效率，節(jié)約了運(yùn)輸成本。借助于有限元分析ANSYSWorkbench進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，不僅節(jié)省了設(shè)計(jì)周期與成本，還能可靠的判斷出各零部件的受力分布情況與變形情況，保證了該產(chǎn)品的安全可靠性，對長管拖車的使用具有十分重要的意義。

表2　應(yīng)力分布及變形分布統(tǒng)計(jì)

參考文獻(xiàn)：

[1] ROOS E，KOCKELMANN H，HAHN R. Gasket characteristics for the design of bolted flange of metal-to-metal contact type[J].International Journal of pressure Vessels and Piping，2020，79(1): 45-52．

[2] 劉玉紅,趙京茂.捆綁式長管拖車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及安全措施[C]∥中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì)，2007:133-177．

[3] 蔡昌全，胡克勤，胡濱.基于ANSYS Workbench的CNG長管拖車氣瓶有限元分析[J]．化學(xué)工程與裝備，2013(9)：27-29．

[4] 李明祥，黃重國，董紅磊.高壓氣體長管半掛車車架有限元仿真與優(yōu)化[J]．專用汽車，2011(1)：62-65．

[5] 李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004:20-25．

[6] 陳孫藝.壓力容器有限元分析建模中值得關(guān)注的幾個(gè)工程因素[J]．壓力容器，2015，32(5)：50-57．

[7] 元少昀．壓力容器管口有限元分析有關(guān)問題探討[J]．石油化工設(shè)備技術(shù)，2014，35(3)：11-13．

宋志江，男，助理工程師，在新興能源裝備股份有限公司從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。郵箱：zhijiang0901@126.com。

Finite Element Analysis of CNG Bundled Long Tube Trailer Based on ANSYS Workbench

SONG Zhijiang，WU Changsheng，CUI Wentian，YANG Lifen，LI Guiling

(Xinxing Energy Equipment Co., Ltd., Handan 056017，China)

Abstract:Bundled tube trailer design relative to the frame type long tube trailer, which eliminates the frame, thereby reducing the weight of the vehicle. The trailer can be equipped with a larger and more quantity of gas cylinder, saving the transportation cost and improving the transportation efficiency. In order to adapt to the market development, a new type of CNG long tube trailer is developed, and the finite element model is established. According to the related standard, the ANSYS Workbench finite element analysis software is used to analyze the finite element analysis software on the computer. The corresponding deformation cloud and the stress cloud chart are obtained, which verifies the safety and reliability of the bundled Trailer design, greatly reducing the design cycle and the cost of the design.

Key words:bundled long tube trailer；3D modeling；finite element analysis；safety and reliability

作者簡介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.01.012

中圖分類號(hào)：TH48

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7804(2016)01-0050-05

收稿日期：2015-11-02