天然氣共軌管和雙壁氣管的可靠性設計

0 前言

船舶動力由于運行場所的特殊性對安全性的要求很高。船舶的航行、轉向、靠港、停泊等都需要發動機提供動力源，無法像陸用車輛一樣采用簡單的剎車機構。在急流和有風浪的情況下，船舶一旦失去動力會導致傾覆危險。另外，船用發動機一旦發生火災對人員安全的威脅遠遠高于陸用動力裝置，因此《天然氣燃料動力系統船舶預設指南》對船用天然氣發動機燃料供給系統的可靠性提供了嚴格的要求。

語音是英語學習的重點和難點。然而，目前對語音教學的研究卻少之又少。英漢語音的比較研究、對比教學實屬必要。

ABAQUS是目前應用最為廣泛的有限元軟件之一，可以用于彈性塑性力學、斷裂力學和熱力學等領域內的計算分析。ABAQUS的Standard模塊主要應用在靜態問題和低速動態工程例子的求解，它可以提供高精度的應力解決方法。本章內容利用ABAQUS軟件對天然氣共軌管和天然氣高壓雙壁氣管開展靜強度的有限元分析。根據實際情況設置計算部件的邊界條件，計算出了其應力分布狀況，分析計算結果，并進行了優化設計，選擇了合適的材料，使天然氣共軌管及高壓氣管滿足了船規要求。

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1 天然氣共軌管的強度計算

1.1 天然氣共軌管計算模型的建立

根據天然氣供氣集成箱安裝空間的需要及天然氣共軌管內壓力波動的計算分析

，對天然氣共軌管建立幾何模型，進行計算校核。圖1.1所示為天然氣共軌管的幾何模型，模型包括入口、共軌管體和6個出口三部分。

1.2 天然氣共軌管計算邊界條件

壁厚增加后的共軌管外表面的變形量及應力分布如圖2.1-圖2.2所示。圖中數據顯示天然氣共軌管厚度增加后外表面以及內部應力和應變的分布規律同原方案相同，但是幅值減小效果明顯。最大變形量從1.687×10

mm降低到1.05×10

mm，比原始方案減小了37.7%。最大應力數值從219.8MPa降低到178MPa。

4）虛擬的實驗環境能向具體的實驗者提出具有針對性的實驗要求，并可以滿足不同類型的實驗。在實踐教學中，學生或教師可根據不同課程或不同章節的實驗參數與實驗要求，定制不同的虛擬實驗產品或設備和實驗場景，有助于學生加深對機械專業課實踐環節的切實認知程度。

為了防止天然氣共軌管在使用過程中因震動而損壞

，實際安裝中，進口部分和6個出口部分利用定位裝置進行限制，同時計算強度滿足要求后可以在兩端焊接合適的螺紋安裝搭子。主要計算天然氣共軌管是否能夠承受管內高壓氣體機力的作用，因此根據需要對模型施加如下約束條件：

(1)平動和轉速自由度的約束。考慮到進口和出口分別和相應管路連接，因此在氣體的進口位置和6個出口位置施加約束，選擇此處的節點限制其X、Y、Z的平動自由度及繞X軸、Y軸、Z軸的轉動自由度。約束位置如圖1.2所示。

則材料1在船舶管路中許用應力為288.9MPa，材料2在船舶管路中許用應力為113.9MPa。

1.3 天然氣共軌管計算結果分析

鑒于該發動機為船用主推動力裝置，按照天然氣燃料動力船舶規范中對于鋼制管路許用應力的要求應取Rm/2.7或Re/1.8計算值的較小者。

3.3.1 雙壁管內層管應力分析

式中：Rm—室溫下材料的規定最低抗拉強度，N/mm

；

Re—室溫下材料的規定最低屈服強度，N/mm

。如在應力-應變曲線上無明顯的屈服應力，則可采用0.2%條件的驗證應力。

(2)天然氣共軌管受到高壓氣體壓力，這個氣體壓力是面壓力，選擇整個共軌管的內表面進行加載，因設計具有一定的安全系數，加載過程中不考慮天然氣噴射過程引起的軌內壓力波動，按最大使用壓力30MPa進行加載。

原始方案及共軌管加厚方案都顯示在共軌管管體和進、出口岐管交接處存在應力較大的區域，在此時設計圓角，使其過度平滑，緩解應力集中現象。在主管管體和岐管處使用半徑為2mm的圓角過渡。圖2.3及圖2.4管內壁及截面的應變及應力分布則表明，最大變形量從1.687×10

mm降低到1.581×10

mm。最大應力數值從219.8MPa降低到211MPa，減小幅度不明顯。

圖3.2為內管及外管的結構參數，外管的外徑為12mm、壁厚1mm，內管的外徑為8mm、壁厚1.5mm。

夜靜更深，她依然無法入睡。風將她的一顆心一層一層地剝開來，像剝洋蔥皮一樣，每剝一層她就流一次淚，痛楚的淚，懺悔的淚。她的眼前晃動著風影落寞而傷感的臉孔，還有那雙似乎永遠迷茫的眼睛。半夜，窗外響起滴滴答答的雨點聲，天空下了一場雨，她聽著檐前的水滴寂寞地敲打著階前的青石板，直到東方拂曉，天色微明，她才迷迷糊糊地睡了過去。剛睡下，就被一場惡夢驚醒了，夢中那個耽于幻想的風影站在她的面前，眼睛里滿滿的，風吹著他薄薄的衣衫，風過處了然無痕。再一看，風影的手中居然捏著一把刀子，刀尖上有紅色的液體，正一滴一滴地往下滴落。漸漸地，風撕裂了鉛灰色的云，在東方，在天邊，出現了一道桔紅色的曙光。

對比兩種材料的許用應力，接口處的應力值沒有超過材料1的許用值，遠高于材料2的許用值，存在應力集中的現象，為了減小應力集中現象對共軌管進行優化設計。

2 天然氣共軌管優化方案

根據天然氣共軌管的結構設計兩種優化方案，增加共軌管的厚度及進、出口處加圓角。共軌管容積的計算結果表明，容積的變化影響到軌內壓力波動的幅值

，因此不改變共軌管的內徑，根據共軌管模具的限制其厚度在原來基礎上增加1.5mm。

計算過程中首先設置天然氣共軌管的材料參數，天然氣共軌管的材料1為F38MnVs、材料2為0Cr18Ni9兩種，表1.1所示為材料的力學參數。

圖1.3為天然氣共軌管原始方案的外部Mises應力分布云圖。如圖中的變形量所示，進出口接管的變形量最小，從共軌管管體中間向外變形量逐漸增加，進出口安裝處和共軌管主體連接部位變形量的梯度較大。圖1.3中的應力分布數值顯示，由于天然氣進口接頭和出口接頭壁厚很大，其外表面的Mises應力數值較小低于37MPa，天然氣共軌管兩端的應力數值也較小。共軌管體外表面的應力為54.9-73.3MPa,管體和進口及出口相連接的部位應力數值較大為73.3-91.6MPa，這是由于進、出口的剛度大變形小，它和管體的變形量差別較大導致。

因此，采用加大天然氣共軌管壁厚的方案對應變及應力的改善較增加圓角效果好，同時增加圓角方案加工較困難，因此采用增加壁厚的方案。材料1的許用應力值滿足強度要求，材料2不滿足，選用材料1作為共軌管的材料。

3 天然氣高壓雙壁氣管強度校核

3.1 天然氣高壓雙壁氣管模型建立

天然氣共軌管和噴射器之間的雙壁管，共6根雙壁管，由共軌管向發動機供給高壓天然氣。雙壁管的外壁在內管發生泄漏的情況下，防止天然氣向發動機艙內泄漏，需要按最惡劣的情況進行校核。

雙壁管的三維幾何模型如圖3.1所示，為了保證各缸噴射量的一致性，雙壁管的長度一樣。每缸共軌管出口和噴射器入口的距離不同，因此將不同缸的雙壁管彎成不如的形狀，彎折處的曲率不同，使管路內部的應力分布，每缸的雙壁管的內管和外管都需要單獨計算校核。

素琴即無弦琴，該典與陶淵明相關，《晉書·隱逸傳·陶潛》說陶潛：“性不解音，而畜素琴一張，弦徽不具，每朋酒之會，則撫而和之曰：‘但識琴中趣，何勞弦上聲’”[4]。陸游認為彈琴能夠悅性靈、養心、排悶，“舉酒和神氣，彈琴悅性靈”[3]831，“琴調養心安澹泊，爐香挽夢上青冥” [3]262，“援琴排遣悶，合藥破除閑”[3]730。

取天然氣共軌管中間截面圖，分析內壁及管路截面的應變及應力數值。圖1.4為原始方案中間截面應變圖，圖1.5為原始方案中間截面Mises應力分布圖。如圖中應變數據所示，天然氣共軌管的最大變形量出現在兩段的堵頭處，兩段后續安裝傳感器等部件。截面處的變形量基本以進氣口的中心對稱，由于加載的是面載荷，圓周方向變形量的差別不大，主要是沿天然氣共軌管軸線的變形量存在差別，即共軌管被拉長。如圖1.5中的應力數據及分布規律，天然氣共軌管內壁面遠離進出口位置的應力分布較為均勻，在91-128MPa范圍內；最大應力值出現在共軌管進口及出口的尖角處，最大值為219.8MPa。這這是因為尖角處應力集中，受到共軌管管體內部壓力及進、出口岐管內部壓力的共同作用，使其應力值最高。

護理人員應向病人介紹飲食治療的目的、意義及具體措施,使病人意識到飲食控制的重要性,只有積極主動地配合,才能取得最佳的治療效果。

將雙壁管的幾何模型劃分計算網格，考慮到計算模型結構簡單，六面體網格的計算精度高、收斂性好，因此為了保證計算結果的準確性，將模型劃分成尺寸較小的規則六面體網格。圖3.3所示為雙壁管的計算網格。

3.2 計算約束及邊界條件

雙壁管的外層管在發動機正常工作是基本不受力，但是一旦內層管發生破裂，會迅速在內層管和外層管之間的空腔內建立壓力，按最惡劣的情況加載壓力，即外層管內表面的載荷也為29.8MPa，圖3.4為管路約束示意圖。

3.3 高壓天然雙壁氣管結果分析

目前，CAE技術被廣泛應用，CAE軟件中Moldflow由于獨特的求解技術和精確的分析結果，被廣泛應用于航天航空、汽車、材料、通訊、電器等行業[1]。Moldflow可以幫助工程技術人員優化產品結構，指導模具設計，縮短設計周期，降低生產成本[2]。開關按鈕既是外觀件，同時也是產品的功能件，因此對塑料的成型要求較高。通過數值仿真分析，可以先期驗證產品結構，找出產品設計中的不足，優化結構設計。

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分析各內層管的應力分布，管路內表面應力較高，外表面的應力較低，直管部分管路截面應力的梯度比價均勻，外壁面直管部分的Mises應力在18-25MPa范圍內，內壁面的應力一般大于40MPa。對比管路彎曲部分的Mises應力和第一主應力，Mises應力均大于第一主應力，且第一主應力的數值為正，說明管路總體上受拉應力的作用。Mises應力和最大第一主應力在管路的彎曲部分出現極大值，極大值的數值與彎曲部分的曲率有關，圖中數據顯示彎曲部分內側面所承受的拉應力都較大，外側承受應力則較小。

表3.1為不同雙壁管內管Mises和第一主應力的數值，如表中數據所示，其應力值均遠遠小于材料2的許用應力113.9MPa，雙壁管的內層管也可選用材料0Cr18Ni9。

3.3.2 雙壁管外層管應力分析

分析各內層管的應力分布，由于外層管的內徑大，在同樣面壓力的作用下，施加在外層管壁上的力增加，同時外層管的壁面厚度僅為內層管的2/3,因此其應變及應力數值較內層管大。分析Mises應力及第一主應力的分布規律，外層管和內層管基本類似。

表3.2為不同缸雙壁管外管Mises和第一主應力的數值，如表中數據所示其應力值最大為172.1MPa，其應力值均高壓材料2的許用應力113.9MPa，小于材料1的許用應力288.9MPa，雙壁管的外層管需要選用材料F38MnVs。

4 小結

本章利用有限元計算軟件ABAQUS建立了天然氣共軌管的有限元計算模型，分析了靜應力，主要結論結論如下：

(1)天然氣共軌管體的應力分布較均勻，共軌管體和進、出口岐管連接部位的應力較大，最大應力出現在天然氣進口和出口小孔的周圍；對比分析了采用加厚共軌管和在小孔處倒圓角方式對應力的影響，結果表明增加共軌管厚度效果顯著；根據計算的最大應力數值選定F38MnVs為天然氣共軌管的材料。

(2)分析了天然氣雙壁管內管和外管的應力分布，結果表明：內層管和外層管的應力分布規律類似，最大應力的位置都是出現在彎折處；內層管的厚度大、內徑尺寸小，材料0Cr18Ni9可以滿足強度要求，外層管的內徑大，承受的壓力高，且壁厚薄，高強度的F38MnVs滿足許用應力限值。

[1]楊立平.4SH-N 天然氣發動機工作過程優化及排放過程[D].長春:吉林大學,2008.

[2]雷偉,甘少煒.周國強船用雙燃料發動機關鍵技術分析[J],船海工程,2016.

[3]鄒博文,李靜波,李開國.葛曉成缸內直噴天然氣發動機的開發[J].汽車技術,2011.

[4]Carlucci AP, Risi AD, Laforgia D, et al. Experimental investigation and combustion analysis of a direct injection dual-fuel diesel natural gas engine[J]. Energy,2008.