車載低溫絕熱氣瓶抗振性能研究.pdf

1、液化天然氣汽車以清潔環(huán)保、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)被廣泛推廣。用于盛裝液化天然氣的車載低溫絕熱氣瓶是液化天然氣汽車的關(guān)鍵部件之一。車載低溫絕熱氣瓶采用了高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽通過一端固定、一端滑移的支撐結(jié)構(gòu)固定在外殼上。車載氣瓶不僅要承受自身的內(nèi)壓載荷，還會(huì)隨著汽車的顛簸、加減速而振動(dòng)，振動(dòng)引起的失效是氣瓶最主要的失效形式。目前，車載低溫絕熱氣瓶尚缺乏有效的抗振設(shè)計(jì)方法，僅通過振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證氣瓶的抗振性能。研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)影響車載低溫絕熱氣瓶抗振

2、性能的內(nèi)在機(jī)理，提出合理的抗振設(shè)計(jì)方法，對(duì)于提高車載低溫絕熱氣瓶安全性具有重要意義。本文在中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院“汽車用液化天然氣氣瓶結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)分析方法研究”的項(xiàng)目資助下，采用ANSYS軟件依次建立了車載低溫絕熱氣瓶的等效靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)有限元模型，分析了車載低溫絕熱氣瓶抗振性能，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　(1)考慮了振動(dòng)引起的慣性載荷和介質(zhì)沖擊載荷，建立了車載低溫絕熱氣瓶的等效靜力有限元模型，分析

3、了氣瓶各關(guān)鍵部位應(yīng)力情況。結(jié)果表明:支撐頸管根部、外殼前封頭開孔連接處的應(yīng)力受慣性載荷影響較大，結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)必須要考慮振動(dòng)的影響;真空腔與封頭連接的環(huán)焊縫、內(nèi)膽前封頭開孔處環(huán)焊縫、內(nèi)膽封頭過渡轉(zhuǎn)角區(qū)的應(yīng)力主要是由內(nèi)壓載荷引起，振動(dòng)引起的慣性載荷對(duì)其影響較小。該部分研究結(jié)果為氣瓶抗振性結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。
　　(2)以傳熱損失和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車載低溫絕熱氣瓶頸管支撐結(jié)構(gòu)、頸管長(zhǎng)度和外殼前封頭開孔連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明:采用

4、局部減薄的支撐頸管和延伸管組合方式是較好的支撐結(jié)構(gòu);以頸管長(zhǎng)度160mm為基準(zhǔn)，長(zhǎng)度每增大10％，通過頸管的漏熱量以5％～7％的速率降低，而頸管根部應(yīng)力以9％～20％的速率增加;綜合傳熱損失和強(qiáng)度指標(biāo)，頸管長(zhǎng)度可增至原長(zhǎng)的1.2倍，此時(shí)漏熱量降低13％，強(qiáng)度余量10％;對(duì)比了兩種外殼前封頭開孔連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，采用過渡圓弧連接方式能將該處最大應(yīng)力位置從焊縫轉(zhuǎn)移至封頭部位，能夠有效降低焊縫缺陷引發(fā)該處疲勞破壞的概率。
　　(3

5、)建立了車載低溫絕熱氣瓶模態(tài)分析模型，考察了充液比和筒身長(zhǎng)度對(duì)氣瓶共振頻率的影響。隨著充液比的增加，共振頻率逐漸降低，最小共振頻率為77.4Hz，仍超過振動(dòng)試驗(yàn)施加的最大激振頻率40Hz，不會(huì)引發(fā)氣瓶共振;但是隨著筒身長(zhǎng)度的升高，氣瓶共振頻率將逐漸趨近于振動(dòng)試驗(yàn)施加的最大激振頻率，易引發(fā)氣瓶共振。
　　(4)建立了車載低溫絕熱氣瓶的隨機(jī)振動(dòng)分析模型，計(jì)算了不同等級(jí)路面下車載氣瓶所受的激勵(lì)功率譜密度，分析了不同路面譜激勵(lì)下車載氣瓶的