汽車用液化天然氣氣瓶頸管應力校核方法研究

古純霖

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029 ）

引 言

天然氣作為一種優質、高效、清潔且儲量豐富的低碳能源，對于增加能源多樣化供應、優化現有能源結構、保護自然生態環境具有重要作用[1]。近幾年天然氣產業發展迅速，汽車用液化天然氣氣瓶行業也隨之蓬勃發展。目前，汽車用液化天然氣瓶的公稱容積已由原來的500 L擴容到1 000 L[2]。擴容帶來的最主要難題就是內膽前后端的支撐結構參數設計。按照傳統的校核方法，僅對內頸管內膽外露部分進行應力校核，忽視了對內膽內部以及外頸管的應力校核，這使得上述兩位置的參數設計存在盲目性。本文通過引入內外頸管變形協調的幾何方程，使得內頸管內伸部分以及外頸管的受力狀況得以求解，從而使汽車用液化天然氣氣瓶的前端支撐部位的尺寸參數設計更加科學合理。

1 載荷分析

圖1為典型的汽車用液化天然氣氣瓶結構圖[3]。由圖可知，氣瓶內膽重量完全依靠前端頸管及后端支撐棒支撐。對內膽組件進行受力分析，由于右端支撐棒處存在活動間隙，故將其簡化為簡支結構，即只有向上支撐力，無彎矩，從而可得內膽組件承受載荷狀況如圖2所示。

圖1 汽車用液化天然氣氣瓶的常見結構

圖2 內膽載荷分析圖

根據內膽受力狀況可得：

式中：G作用點為重心位置，G取值根據振動試驗要求確定。對于容積不大于500 L的氣瓶，振動試驗要求加速度為3g，考慮到振動時有放大作用（一般在2倍以內），可取G為氣瓶內膽及液體總重量的6倍；對于容積為500 L至1 000 L的氣瓶，由于振動試驗要求為5 g[2]，可取為氣瓶內膽及液體總重量的10倍。M1、F2分別為分配頭對內頸管的作用力及彎矩，F1為右側支撐結構對氣瓶的支撐力，L1為內膽重心到內頸管左端的距離，L2為內膽重心到右側支撐結構位置。

對頸管組合支撐結構進行受力分析，頸管受力如圖3所示。

圖3 頸管組合結構受力分析圖

由圖3所示受力情況可得：

式中：M2、F3分別為內膽封頭對外頸管作用的彎矩和力；L3為內頸管左端與外頸管左端的距離。

單獨對外頸管進行受力分析，受力狀況如圖4所示。

由圖4可得：

式中：F5、M3分別為內外頸管連接環對外頸管作用的力和彎矩；F4為玻璃鋼環對外頸管作用力；L4為外頸管長度。

單獨對內頸管進行受力分析，分析受力情況如圖5所示。

圖4 外頸管受力分析圖

圖5 內頸管受力分析圖

由圖5受力情況可得：

式中：F7為玻璃鋼環對內頸管的作用力；M4、F6分別為內外頸管連接環對內頸管作用的彎矩和力。

由于已經對內外頸管整體進行了靜力和彎矩平衡計算，故上述兩個方程為無效方程。

根據玻璃鋼墊環的受力平衡可得：

根據內外頸管連接環受力及彎矩平衡可得：

根據上述受力分析可知，有M1～M4、F1～F7共11個未知數，卻只有9個有效方程，無法求解，故該結構為靜不定結構，需要引入幾何方程[4]。

2 內外頸管彎矩分布分析

根據外頸管受力圖，可繪制其所受彎矩分布圖，如圖6所示。

圖6 外頸管彎矩分布圖

由圖6可得外頸管彎矩分布方程：

Mx=M2+F5×x

式中：M2為距外頸管左端的距離；通過積分可得：

E1I1ω=M2× x2/2+F5× x3/6+C × x +D

由于x=0時，ω=0，ω＇=0。

故有：ω=（M2× x2/2+F5× x3/6）/E1I1

式中：ω為外頸管撓度；E1為外頸管的彈性模量；I1為其慣性矩。

根據內頸管受力圖，可繪制其所受彎矩情況，如圖7所示。

由圖7可得外頸管彎矩分布方程：

Mx=M1+F2× x（x≤L3）

Mx=M1+F2× x-F6×（x-L3）

（L3≤x≤L3+F5）

式中：x為距內頸管左端的距離。

通過積分可得：

圖7 內頸管彎矩分布圖

式中：ω1、ω2為內頸管撓度；E2為內頸管的彈性模量；I2為其慣性矩。

由于x =0時，ω1=0，ω1＇=0。

故有：

由于當x =L3時，ω1=ω2且ω1＇=ω2＇。

故有：C＇=-F6×L23/2，D＇=F6×L33/6

可求解得：

3 幾何方程分析

外頸管變形狀況分析：

根據外頸管的彎矩分布狀況，可得到其變形狀況如圖8所示。

圖8 外頸管變形狀況圖

圖中：θ1為外頸管右端變形的切向角度；△1為外頸管右端變形撓度。

根據內外頸管的彎矩分布狀況，可得到其變形狀況如圖9所示。

圖9 內頸管變形狀況圖

圖中：θ2為外頸管右端變形的切向角度；△3為外頸管右端變形撓度；△2為外頸管左端與內頸管對應位置的變形撓度。

由于內外頸管的右端相連，故該位置處兩只頸管的位移相同，彎曲角度相同。

故有：

式中：

將方程（1）～（11）聯合求解，即可得到M1～M4、F1～F7。

結 語

本文首先對汽車用液化天然氣氣瓶頸管支撐位置進行了靜力和彎矩分析，發現該結構為靜不定結構，僅僅采用靜力和彎矩平衡無法求解，需要引入幾何方程；然后分別對內外頸管的彎矩分布進行了分析，得到了內外頸管彎曲撓度方程；最后通過分析內外頸管連接的幾何特點，得到了內外頸管連接端部位置的撓度及彎曲角度相等的幾何關系，使得內外頸管受力方程得到求解，為汽車用液化天然氣氣瓶內外頸管尺寸參數的設計提供了可靠的計算方法。