閆東東， 王 琪,， 吳小芳， 狄駿皓， 丁徐強

低溫移動LNG儲罐角鋼圈輕量化設計研究

閆東東1， 王 琪1,2， 吳小芳3， 狄駿皓1， 丁徐強2

（1. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 南通理工學院 汽車工程學院，江蘇 南通 226000；3. 張家港中集圣達因特種裝備有限公司，江蘇 張家港 215600）

由于低溫液體運輸半掛車重心高、質(zhì)量大、能耗高，進行優(yōu)化設計很有必要。因此，對某型號低溫液體運輸半掛車罐體進行建模，根據(jù)標準工況承受的慣性力載荷進行應力分析，使用分析設計標準中的應力分類法進行校核?；趯嶒炘O計的設計點采樣和曲面擬合技術，以角鋼圈尺寸參數(shù)為自變量，線性化路徑上的應力強度為約束條件，建立有限元擬合函數(shù)數(shù)學模型，采用MOGA多目標遺傳算法進行求解。結果表明，優(yōu)化后的罐體滿足評定標準，罐體質(zhì)量減少約226.37 kg，罐體內(nèi)容器與外殼角鋼圈長邊寬、短邊寬減少了0.53、19.98、9.98、11.98 mm，對優(yōu)化后的角鋼圈組合截面慣性矩進行計算驗證，滿足壓力容器常規(guī)設計要求。

低溫儲罐；數(shù)值模擬；半掛車；輕量化；遺傳算法

低溫液體運輸半掛車主要是LN2、LO2、LCO2、LAR、LNG、LH2等深冷介質(zhì)的公路運輸工具。移動壓力容器是指由罐體或者大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶與行走裝置或者框架，采用永久性連接組成的運輸裝備[1]。鞍座副梁與行走機構車架邊梁采用永久性焊接或螺栓連接，牽引座與牽引機構車頭拖掛部分采用50#牽引銷連接。罐內(nèi)低溫LNG介質(zhì)于－162～－130℃在相關設計壓力下存儲于移動式壓力容器罐體內(nèi)容器內(nèi)，罐體卸液時液體經(jīng)翅片式或繞片式增壓器向內(nèi)容器增壓以彌補泵體抽液時形成的壓力差變化。相關的研究熱點是低溫液體運輸半掛車的輕量化，以提高低溫LNG液體運輸效率。

近十年來，國內(nèi)外眾多專家學者在罐用材料方面選用玻璃鋼、鎂、鋁合金等替換不銹鋼[2-4][3]，應變強化增加罐體材料的強度裕度，絕熱新型材料、安全閥、爆破片、泄壓閥等的設計、管路以及罐體部分的有限元計算[5-7][6][6]，運輸過程中罐內(nèi)液體介質(zhì)的晃動對罐體裝載液體重心的轉移影響、罐車泄露爆炸的數(shù)值分析、交通事故中各種因素對翻車和釋放危險物質(zhì)概率的影響、等進行了大量的試驗和仿真模擬[8-11][9][10]。結構輕量化方面，王一川和任彥昭等人提出一種新型翅片夾芯結構加強圈代替原角鋼圈[12-13]，王曉東從八點支撐的角度對該結構件進行了優(yōu)化[14]，伍能和采用布谷鳥搜索算法對封頭中心接管結構件進行了優(yōu)化[15]。張自斌、段若等人對罐體壁厚、內(nèi)徑、接管壁厚進行了多目標優(yōu)化設計[16-17]，目前，實際工程生產(chǎn)應用罐體筒體壁厚已采用壓力容器標準中的極限要求。迄今，壓力容器的輕型化仍是研究熱點之一[18-20][19]。

本文用已有設計數(shù)據(jù)二維圖繪制罐體三維模型，用ANSYS有限元軟件進行強度驗證，并結合響應面方法擬合出罐體內(nèi)容器與外殼角鋼圈長邊寬、短邊寬參數(shù)與罐體質(zhì)量和應力強度的函數(shù)關系式，通過遺傳算法進行迭代，尋找響應面設計點全局最優(yōu)取值，對罐體參數(shù)進行優(yōu)化。在保證可靠性的前提下，接近總體質(zhì)量輕的目標。

1 罐體結構設計建模

基本設計參數(shù)根據(jù)低溫液體運輸半掛車罐體強度如下表1所示，此車型充裝介質(zhì)為低溫LNG液體，介質(zhì)密度513.5 kg/m3，罐體外形長度為12 704 mm，額定載質(zhì)量24 300 Kg。

表1 罐體主要技術參數(shù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)以參數(shù)化特征造型為基礎，對罐體進行建模，前沖工況選用1/2模型，內(nèi)容器和外殼體中間采用前后八點支撐，八點支撐用Z3848玻璃鋼管與絕熱支撐棒。內(nèi)容器外表面使用鋁箔紙與玻璃纖維紙交叉纏繞的絕熱被進行包裹，絕熱被厚度約為20±2 mm，絕熱材料符合GB/T31480的要求，纏繞完一層后用尼龍線縫合在筒體兩端。約進行50次纏繞后對夾層進行充氮置換處理3～5次，保證內(nèi)外筒體絕對隔熱系數(shù)以及高真空多層絕熱槽車制造工藝，罐體三維視圖如圖1所示。

圖1 罐體

2 罐體靜力學分析

2.1 靜力學分析

殼體內(nèi)壁施加靜壓力（設計壓力0.65 MPa），內(nèi)外罐體之間施加－0.1 MPa的真空壓力，運行方向施加沿罐體方向的慣性載荷；沿支座方向向下的標準重力加速度，在牽引機構底部及行走機構底部采用模擬車彈簧板及輪胎的垂直方向彈性支撐（垂直方向無拉伸約束的彈性支撐），約束其余兩個方向的位移，對稱模型在對稱面施加對稱約束，行走機構底面限制三個方向的位移[21]，材料屬性和載荷工況如表2、3所示。

表2 材料屬性

表3 載荷工況

總體質(zhì)量10 110 Kg加上額定載質(zhì)量24 300 Kg，其中的慣性力按照《冷凍液化氣體汽車罐車》罐體及其緊固裝置在運輸工況中承受的慣性力載荷，用等效壓力法[22]施加載荷，乘以重力加速度，按要求轉換成等效靜態(tài)力[1]。應力強度如圖2所示，應力最大值出現(xiàn)在內(nèi)容器與前支座連接墊板上布置的角鋼圈邊緣處。

圖2 應力強度

通過ANSYS提供的路徑線性化的功能，在內(nèi)封頭應力最大處沿厚度添加線性化路徑一，根據(jù)分析設計標準，路徑一上的應力存在薄膜與彎曲應力，選用1.5KS進行校核，筒體與封頭過渡處的應力采用一次總體薄膜應力加一次彎曲應力校核?？傮w結構不連續(xù)處以及開孔區(qū)域存在應力集中，在結構局部高應力區(qū)沿壁厚的路徑上各類應力區(qū)分開，存在薄膜與彎曲加二次應力，選用3S進行校核，采用一次局部薄膜應力加一次彎曲應力加二次應力校核[23-25][24]。

圖3 路徑一應力強度

根據(jù)分析標準，路徑二取在應力值最大處的角鋼圈邊緣，實際工程中內(nèi)筒體、角鋼圈、八點支撐玻璃鋼管、支座墊板等結構都需要線性化查看應力是否滿足標準，這里是一種理想情況。得到路徑二下的應力強度如圖4所示，各條路徑應力線性化的評定結果如表4所示。

圖4 最大應力處應力強度

表4 強度評定

3 優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化數(shù)學模型

選用響應曲面優(yōu)化進行優(yōu)化設計，用于產(chǎn)品詳細設計階段。拓撲優(yōu)化主要是對結構拓撲外形進行優(yōu)化，可能會產(chǎn)生復雜的拓撲形態(tài)，雖然可以減少結構質(zhì)量，會造成加工困難以及工藝成本的增加[26]。選擇尺寸設計參數(shù)作為輸入?yún)?shù)、質(zhì)量、路徑一、二上的線性化應力強度為輸出數(shù)據(jù)。在Response surface optimization中創(chuàng)建田口正交實驗設計數(shù)據(jù)表格，在光滑的擬合響應曲面上取50組設計取樣點。各變量之間用數(shù)學表達式表示，簡稱參數(shù)耦合[27]，這些參數(shù)反應著結構形狀的大小以及產(chǎn)品性能優(yōu)劣，輕量化數(shù)學模型如式（1）～（5）所示。

實際中，設計變量與響應變量之間的真實函數(shù)關系是不可知的，響應面方法采用多元二次方程來擬合設計變量與響應變量之間的函數(shù)關系，是實際情況的一種近似[28]。這里將罐體內(nèi)容器與外殼角鋼圈長邊寬、短邊寬數(shù)據(jù)作為1～4輸入。1,2, …, x代表一組相互獨立參數(shù)的設計變量，用列向量表示，在N維空間中取到數(shù)個點分析優(yōu)化模型，在邊界與可行域中尋找最小質(zhì)量函數(shù)的最優(yōu)解。1為一次總體薄膜應力加上一次彎曲應力，2為一次局部薄膜應力加一次彎曲應力加二次應力，()為優(yōu)化目標，為罐體質(zhì)量。

3.2 響應面分析法優(yōu)化

通過Design of Experiments模塊進行優(yōu)化實驗設計。設置參數(shù)后，更新參數(shù)后得到50組實驗設計點，50組實驗方案的設計點得到輸出變量關于輸入變量的近似變化規(guī)律以曲面擬合的形式表現(xiàn)出，實驗設計點響應結果如表5所示。

表5 實驗設計點響應結果

（續(xù)表5）

①指角鋼圈總體質(zhì)量

響應面更新后，這里選取對路徑一、二線性化應力較為敏感的輸入?yún)?shù)內(nèi)容器與外容器角鋼圈短邊寬、內(nèi)容器角鋼圈短邊寬與長邊寬生成應力強度響應圖5觀察擬合精度。

3.3 優(yōu)化結果及優(yōu)化前后對比

通過Optimization模塊進行優(yōu)化求解設置，設置各線性化路徑上的應力強度低于材料的允許范圍，優(yōu)化目標為質(zhì)量最小值。Screening方法是一種直接采樣，可用于響應面優(yōu)化系統(tǒng)以及直接優(yōu)化系統(tǒng)，但此方法僅適合于初步的優(yōu)化設計，精度較低[29]。選用適合計算全局最大值或最小值的MOGA算法，MOGA算法是基于NSGA-Ⅱ的一個變種多目標遺傳算法。采用MOGA算法后，生成3個候選點，應力強度迭代圖6。求解結果如表6所示。罐體及其支座優(yōu)化前后各參數(shù)對比如表7所示，優(yōu)化后的罐體質(zhì)量減少約226.37 kg。

圖6 路徑二應力強度迭代

表6 求解結果

表7 優(yōu)化前后各參數(shù)對比結果

計算角鋼圈與圓筒組合段所需的慣性矩[30]：

滿足《壓力容器》設計要求。

4 結論

優(yōu)化后的線性化應力結果滿足《鋼制壓力容器-分析設計標準》對于材料的極限許用應力范圍之下，通過了低溫液體運輸半掛車前沖工況的強度校核。罐體質(zhì)量減少約226.37 kg，接近了輕量化、大容積的目標，并滿足《壓力容器》中對于角鋼圈慣性矩的要求。得到該型號低溫液體運輸車前沖工況下罐體角鋼圈的優(yōu)化尺寸，在低溫液體運輸半掛車運輸工況許用的條件范圍之下通過遺傳算法求出最優(yōu)取值。

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Lightweight Design of Angle Ring for Low Temperature Mobile LNG Storage Tank

YAN Dong-dong1, WANG Qi1,2, WU Xiao-fang3, DI Jun-hao1, DING Xu-qiang2

（1. College of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, China;2. Automotive Engineering College, Nantong Institute of Technology, Nantong 226000, China;3. Zhangjiagang CIMC Santum Special Equipment Co. Ltd., Zhangjiagang 215600, China）

Because of the high center of gravity, large mass and high energy consumption of the semi-trailer for cryogenic liquid transportation, it is necessary to optimize the design. Therefore, the model of a type of cryogenic liquid transport semi-trailer tank is modeled, the stress analysis is carried out according to the inertia force load under standard working conditions, and the stress classification method in the analysis and design standard is used to check. Based on the design point sampling and surface fitting technology of experimental design, the finite element fitting function mathematical model was established with the Angle ring size parameters as independent variables and the stress intensity along the linearized path as constraints. MOGA multi-objective genetic algorithm was used to solve the model. The results show that the optimized tank meets the evaluation standard, the tank mass is reduced by 226.37 kg, and the long side width and short side width of the Angle ring between the container and the shell are reduced by 0.53 mm, 19.98 mm, 9.98 mm and 11.98 mm. The moment of inertia of the combined section of the optimized Angle ring is verified by calculation, which meets the conventional design requirements of pressure vessels.

cryogenic storage tank; semitrailer; response surface; lightweight design; genetic algorithm

TQ053.2

A

1009-220X(2022)04-0068-08

10.16560/j.cnki.gzhx.20220404

2022-01-26

國家自然科學基金項目（51906091）。

閆東東（1997～），男，陜西咸陽人，碩士；主要從事特種車輛零部件應力分析與優(yōu)化設計的研究。