吳季

【摘 要】LNG顧名思義，叫做液化天然氣。目前液化天然氣被認(rèn)為是一種具有清潔功能的高效潔凈能源。由于液化天然氣的各種特性，比如燃燒效率高，方便，價(jià)格合理，燃燒充分，清潔干凈，所以使得天然氣成為國(guó)家大力發(fā)展的一種能源。LNG氣瓶和支架的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)放在支架的設(shè)計(jì)上，順帶著對(duì)氣瓶作一些簡(jiǎn)單的介紹。氣瓶也就是一種特制的，材料大多數(shù)是鋼制的，常用來貯存，運(yùn)輸天然氣的一種大型容器。支架大多數(shù)是鋼材或者鋁材的一種支撐器材，多用來固定，支撐，運(yùn)輸裝載著液化天然氣的氣瓶，對(duì)氣瓶起著保護(hù)的作用，防止氣瓶的跌落，滑倒，位移。此次設(shè)計(jì)對(duì)鋁材的支架進(jìn)行重點(diǎn)的研究，運(yùn)用三維CATIA設(shè)計(jì)出支架的具體模型，并且將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖形，對(duì)支架的零件進(jìn)行拆分，對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行分析，在支架的外觀，材料，制造工藝等方面做出闡述，提出自己的見解。并且在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋁材和鋼材分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)氣瓶進(jìn)行正向和側(cè)向力的加載，記錄支架和氣瓶的位移變化，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】LNG;氣瓶;支架;設(shè)計(jì)

第一章 LNG得認(rèn)識(shí)

1.LNG介紹

LNG英文全稱是Liquefied Natural Gas，即液化天然氣。液化天然氣就是在天然氣的基礎(chǔ)上，經(jīng)過深冷工藝，冷卻液化得到的一種液態(tài)產(chǎn)物。LNG低溫，氣液比大，所以在和氣態(tài)的天然氣相比，能夠高效的用于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。LNG一度被認(rèn)為是世界上最清潔的化石能源之一，它的含硫量極低，若用于發(fā)電和生活燃料的燃燒，將極大的減少酸雨，有利于保護(hù)環(huán)境，節(jié)約化石燃料的燃燒。同時(shí)它的燃點(diǎn)較高，從燃燒角度來看，相對(duì)的更加充分。它主要用于大中小城市的燃料供給，工廠的氣源，車船飛機(jī)的交通燃料，分布式能源系統(tǒng)的循環(huán)利用。

LNG的發(fā)展影響著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈和一系列工業(yè)機(jī)械的走向。能源轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和能源發(fā)展的根基，隨著低碳方針和大氣霧霾方針的出臺(tái)，相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)顯著提高。我國(guó)的LNG的發(fā)展，當(dāng)前亟需考慮的就是價(jià)格過高和供給不平衡的問題，對(duì)此國(guó)家不斷的出臺(tái)了一系列的設(shè)計(jì)方案和應(yīng)對(duì)措施。從國(guó)內(nèi)LNG的制定標(biāo)準(zhǔn)，材料的選擇以及氣瓶的硬度來看，我國(guó)規(guī)定材料進(jìn)入制造廠后要進(jìn)行化學(xué)成分的復(fù)驗(yàn)，鋼錠進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)，無縫鋼管進(jìn)行無損傷檢驗(yàn)，而國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)沒有這項(xiàng)要求，這和國(guó)內(nèi)外鋼材質(zhì)量水平有關(guān)。因此在國(guó)內(nèi)外的鋼瓶質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上，中國(guó)還需要提高標(biāo)準(zhǔn)要求。相信隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展轉(zhuǎn)變方式和對(duì)能源多樣性的需求上，關(guān)于液化天然氣的各個(gè)方面都能飛速發(fā)展起來

2.支架輕量化概念

支架因?yàn)槭呛推囀桥溥m的，所謂的輕量化也就是指的汽車輕量化。車身輕量化系數(shù)公式為：

L=M/CtA。

式中，——L為白車身輕量化系數(shù)

——M為白車身骨架重量

——Ct為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度

——A為白車身腳印面積。

在保證汽車安全，剛度，NVH等性能提升或者不變的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，合理的材料選擇，合理的制造工藝等手段，從而達(dá)到重量的降低。最后達(dá)到節(jié)能減排，整車的輕量化，從而使得汽車更加的輕快便捷。

輕量化的等級(jí)定義：

第二章 氣瓶及支架設(shè)計(jì)材料選擇

LNG支架的作用：LNG的支架材料在現(xiàn)在來看，大部分采用鋼材和鋁材來加工制造。其主要作用就是來承載，固定和裝運(yùn)LNG氣瓶，使得LNG氣瓶更加的穩(wěn)定牢固，使得氣瓶不易跌落，滑倒和變形。同時(shí)支架也注重輕量化的設(shè)計(jì)，使得運(yùn)輸更加的輕松便利。

LNG氣瓶的作用：LNG的氣瓶大多數(shù)是特制的鋼制容器，其主要的作用就是對(duì)天然氣采用深冷工藝，使得天然的從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，從而更好的運(yùn)輸。因?yàn)閺幕瘜W(xué)的角度分析，氣態(tài)的天然氣，它所需要的壓力更大，對(duì)鋼制的容器要求更高，同時(shí)在高溫時(shí)，氣態(tài)容易發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)，而液態(tài)的天然氣就沒有此項(xiàng)的考慮。

材料選擇：初步的材料選擇中，我們可以選擇碳鋼，也可以選擇鋁材來進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。本課題是對(duì)鋁合金支架進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，從鋁材和鋼材的材料對(duì)比中我們不難發(fā)現(xiàn)，鋁合金支架比碳鋼支架更耐低溫、耐腐蝕，而且還具有高熱傳導(dǎo)和高比強(qiáng)度性能。當(dāng)然，鋁合金的支架同時(shí)也難免有一些缺點(diǎn)，比如鋁材的價(jià)格更高，不耐磨，怕受到撞擊，焊點(diǎn)低，導(dǎo)電性一般，硬度相對(duì)的差一點(diǎn)。從制造工藝上看，一個(gè)零件的產(chǎn)生基本上分為沖壓工藝，拉伸工藝，彎曲工藝等工藝。沖壓工藝主要的影響性能指標(biāo)有屈服極限，屈強(qiáng)比，延伸率，厚向異性系數(shù)。對(duì)于鋼材，在沖壓工藝中常常出現(xiàn)時(shí)效失效和表象失效。因?yàn)闀r(shí)效的影響，鋼板及鋼帶的力學(xué)機(jī)能會(huì)隨著時(shí)間的變化而變差，如屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的上升，斷后伸長(zhǎng)率的下降，成型性能變差，出現(xiàn)拉伸應(yīng)變，又由于存儲(chǔ)不當(dāng)，造成鋼板受潮生銹，外力破損、變形等，也容易在鋼廠軋制過程工藝控制部分不足，導(dǎo)致鋼板表面出現(xiàn)凹坑，結(jié)疤，裂紋，夾雜，劃傷，壓痕，麻點(diǎn)及氧化色等影響形性及涂，鍍附著力的缺陷，導(dǎo)致金屬容易出現(xiàn)塑性變形。對(duì)于鋁合金來說，由于塑形較強(qiáng)，金屬性能較好，不容易出現(xiàn)上述鋼所出現(xiàn)的失效。在拉伸工藝中，鋼材零件由于容易造成材料失穩(wěn)，拉深件容易起皺，也容易使得材料斷裂或破裂。鋁合金由于是合金，具有綜合各種金屬優(yōu)良的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度較好。在彎曲工藝中，因?yàn)殇摬牡闹Ъ苁呛附?，鋁材的支架的螺紋連接，在焊接中，因?yàn)槭歉邷睾附?，鋼材容易出現(xiàn)彎曲變形，使得彎曲部分的形狀和尺寸發(fā)生變化而與模具的尺寸不一致。在制造工藝上看，選擇鋁材較為有優(yōu)勢(shì)。從原料的成本來看，鋼材比鋁材可能相對(duì)的更加節(jié)約成本。

第三章 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

我們分別設(shè)計(jì)了同類型的鋁合金及鋼材支架，并對(duì)支架進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以用于檢測(cè)支架和氣瓶在不同力的工況下的位移變化情況。在不同的位置擺放位移傳感器，并且對(duì)位移傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后對(duì)支架和氣瓶進(jìn)行逐力加載，最后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以橫軸為偏移量，縱軸為加載力。

根據(jù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，位移最大量應(yīng)不超過13mm。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以看出，碳鋼和鋁材的支架都是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的。而且在5噸力的范圍內(nèi)，鋁合金支架的偏移量總的來說依舊是小于碳鋼的偏移量。綜合分析，選擇鋁材合金作為支架的材料，更加的合理。

結(jié)論：LNG氣瓶和支架的研究對(duì)實(shí)際的車載天然氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸有著極大的應(yīng)用效果，為推廣汽車的輕量化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)節(jié)約能源，改善大氣質(zhì)量和環(huán)境具有重要的意義。本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論顯示，鋁合金的支架應(yīng)用范圍較廣，使用途徑和優(yōu)勢(shì)更加的明顯，支架的輕量化技術(shù)，也是未來的研究方向之一。汽車的輕量化技術(shù)是未來的大趨勢(shì)，在這樣的一個(gè)趨勢(shì)下，期待汽車輕量化方向有著更大的突破。相信在未來的電子設(shè)備和技術(shù)不斷的革故鼎新下，LNG氣瓶和支架的研究會(huì)更加的具體化，研究深度也會(huì)更加深。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐童非，鄭甲紅，唐永科，曹君.LNG車載氣瓶支架強(qiáng)度分析及優(yōu)化[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（21）.

[2]劉鳳陽. 復(fù)合材料LNG車用氣瓶設(shè)計(jì)及有限元分析[D].大連理工大學(xué)，2018.

[3]楊樹斌，馬志鵬，夏莉，李蔚，李偉，許海洋，劉培啟.超大容積車載LNG氣瓶振動(dòng)特性分析[J].山東化工，2019，48（05）

[4]余謙，段武，夏園園，劉蓓蓓，楊源.鋁合金在車載LNG氣瓶上的應(yīng)用前景[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（18）

[5]李萬暉. 車載LNG氣瓶設(shè)計(jì)及ANSYS分析[D].青島科技大學(xué)，2017.

[6]杜明廣. 車載LNG氣瓶的設(shè)計(jì)與分析[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2016.