氫氣干燥器疲勞損傷研究

中圖分類號 TQ051.8 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）03-0445-10

在工業生產和實驗中，常需要使用高純度、干燥的氫氣，而氫氣中的水分會影響到氫氣的純度和穩定性[1]。氫氣干燥器是一種用于去除氫氣中水分的設備，氫氣具有易燃、易爆、易泄漏的特點，加之壓力容器往往運行在極端條件下，如高溫、高壓、易燃、易爆、有毒及強腐蝕性環境等，這些因素增加了氫氣干燥器潛在的風險性，一旦發生安全事故，后果將不堪設想。

在工程領域，人們越來越關注機械結構的疲勞破壞。當機械結構經受了反復、間歇且低于材料極限強度的載荷作用后，會因為載荷的隨機性和不連續性而引起疲勞破壞[2.3]。針對氫氣干燥器，在其設計階段，設計者可以及時發現靜態力學破壞可能導致的問題，比如受力不均勻或剛度強度不足，并通過結構優化來解決這些問題。而振動導致的疲勞失效使得設計者在設計階段很難有效評估其影響，并且在工程應用中這種失效出現的概率很高，而且在失效前很難被發現。為了確保氫氣干燥器的安全性，筆者研究地震振動對干燥器疲勞壽命是否有影響，并使用極限載荷法求得設備所能承受的最大載荷。

1氫氣干燥器疲勞損傷分析

為探究由于地震所引起的振動對干燥器疲勞壽命是否有影響，采用模態分析方法，研究結構在振動作用下的動力響應[4]。該方法通過構建結構的數學模型，并求解特征值和特征向量，以此來預測結構的振動頻率和振型[5]。這些振動狀態被稱為結構的模態，可以幫助工程師了解結構在振動條件下的響應和性能。

通過模態分析，可以了解結構的固有頻率、振型及振幅等特性，這有助于判斷結構是否存在共振、疲勞以及破壞等問題[6]

利用ANSYSWorkbench對氫氣干燥器進行模態分析的流程如圖1所示。

2氫氣干燥器的固有頻率和振型

通過對氫氣干燥器整體結構進行模態分析，忽略干燥器的剛體模態，確定了該結構的前10階固有頻率，并將這些數據列于表1，圖2為干燥器前10階振型云圖，可以更直觀地展示這些固有頻率對應的振動模式。

由圖2可知，前兩階的最大變形出現在封頭外殼的位置，第3、4階的最大相對變形出現在外殼中間位置，第5階最大變形出現在外殼與接管連接處，裙座及其附近位置振幅較小；第6＼～10階在yz平面上繞著y軸呈扭轉狀態，且各振型的最大位移點在中心區域。在自由模態狀態下，整體結構的振動行為主要是彎曲振動，同時伴隨著一定程度的扭轉，最大位移量出現在第7階模態，為7.057 0mm 。

3干燥器的模態影響因素分析

3.1保溫層厚度對干燥器的模態影響

為了研究不同保溫層厚度對干燥器裝置固有頻率的影響，在厚度 t₁=50mm 模型的基礎上增設 t₂=40mm 和 t₃=60mm 厚度的結構模型并對其進行模態分析。

3.1.1 固有頻率分析

表2列出了不同保溫層厚度下結構的前10階固有頻率。

由表2可知，保溫層厚度對固有頻率的影響較小，在低階模態中該影響可以忽略不計。

3.1.2 振型分析

繪制不同保溫層厚度下結構前6階的位移變形量，如圖3所示。選取厚度為 40mm 時的結構進行振型分析，提取前6階振型圖進行比較，振型圖如圖4所示。

由圖3、4可知，隨著保溫層厚度的增加，結構在各個階數下的最大位移變形均有所減小，最大變形量不超過 7mm 。對比不同保溫層厚度下的位移變形情況，發現保溫層厚度的變化并沒有引起顯著的差異。這表明保溫層厚度對結構的固有頻率和振型的影響是可以忽略的。

3.2 溫度對干燥器的模態影響

溫度對氫氣干燥器模態的影響主要表現在兩個方面：首先，溫度的波動會改變干燥器材料的機械性能，如彈性模量、泊松比等，這些參數的變化直接關系到材料的振動特性和固有頻率[7]；其次，由于熱膨脹和不均勻溫度分布產生的熱應力，會引起結構的形變和位移，進而影響結構的動態行為和模態特性[8]。因為熱應力對模態的影響主要是通過引起的變形發揮作用，這與內壓引起的效應相似，因此不再作為單獨的研究點。故本節研究溫度變化下不同彈性模量對氫氣干燥器模態的影響。

3.2.1 固有頻率分析

按照圖1的模態分析流程，在裙座底部施加全約束，在構建有限元模型的過程中，為了準確反映材料在不同溫度下的行為，在定義材料屬性時，會具體指定材料的彈性模量隨著溫度變化的函數關系，進行模態分析時，僅對溫度進行調整[9]，并提取前10階的頻率，其結果見表3。

（續表3）

為了清晰地呈現隨溫度變化的彈性模量變動對固有頻率所造成的影響，實施了一種對比分析策略。即在設定的不同狀態下計算固有頻率，并將這些結果與表1列出的各階固有頻率進行對比。通過計算兩個頻率之間的差值，進一步利用這些數據制作了不同溫度下的頻率差曲線（圖5）。

根據圖5可知，隨著模態階數的逐漸增加，材料彈性模量受溫度變化影響的程度在固有頻率上的表現愈發明顯。特別是在 300^qC 溫度條件下，第9階固有頻率的差達到了最大值。這表明在較高的溫度和模態階數下，材料的彈性模量變化對結構的振動特性有更加顯著的影響

3.2.2 振型分析

選取在 20^°C 和 300^°C 兩個溫度條件下進行振型分析，并分別提取各自前6個振型圖進行對比。相應的振型圖如圖6、7所示。

圖6中 20% 時前6階振型對應的相對位移依次為： .4.328 4.4.329 2.4.796 1.4.829 5.4.239 5， 6.689 1mm ；圖7中 300^°C 時前6階振型對應的相對位移依次為 ：4.3285.4.3288.4.8009.4.8353. 4.241 3、6.561 1mm 。對比圖6、7可以看出，在兩種不同的溫度條件下，干燥器的相應振型之間并無顯著差別，同時這些振型在相對位移上的變化也相當有限。因此可以得出結論：彈性模量對振型的影響是微小的，可以忽略不計。

3.3內壓對干燥器的模態影響

結構變形的評估是工程設計中的一個關鍵環節，模態分析的目的是研究結構在無阻尼自由振動狀態下的固有頻率和振型，而預應力模態分析則是在此基礎上進一步考慮了預應力對模態的影響[10]。預應力模態分析流程如圖8所示。

3.3.1 固有頻率分析

在進行模態分析時，采用工作狀態下的溫度對應的材料屬性，并在裙座部分施加了固定約束。同時僅改變干燥器所承受的內壓，遵循預應力模態分析的流程。通過分析，得到了前10階固有頻率，見表4。

由表4可知，隨著內筒所受壓力的逐漸增加，雖然各階模態的固有頻率表現出上升趨勢，但實際上這種增長非常有限，表明內壓對結構固有頻率的總體影響是微不足道的。然而，相較于空載狀態，內壓的存在確實使得固有頻率有所上升，這主要是因為預應力的作用使得結構的整體剛性略有增強，從而引起了頻率的輕微提升。簡而言之，內筒壓力的增加對結構固有頻率的影響雖然存在，但在數值上表現得相當微小，這反映了結構在受到預應力作用下剛度的輕微改變。

對于 1.5MPa 和 3.3MPa 兩種不同的壓力水平，進行了模態分析，并分別提取了結構的前6階振型圖進行比較，振型圖如圖9、10所示。

通過分析圖9、10可知，在 1.5MPa 和 3.3MPa 兩種不同的內壓條件下，結構的位移變形量均隨著振型階次的增加而增加。在 1.5MPa 內壓下，結構的最大位移變形量達到 5.7577mm ;而在 3.3MPa 內壓下，最大位移變形量略微增加至 5.8309mm 0盡管振型階次的提高導致了位移變形量的增加，但從圖中可以明顯看出，這種變化是非常微小的。

3.3.2 振型分析

此外，對比兩種不同內壓條件下的位移變形情況，發現內壓的變化并沒有引起顯著的差異。這表明在所考慮的內壓范圍內，內壓對結構的固有頻率和振型的影響是可以忽略的。

4極限載荷分析

極限載荷法是一種用于確定結構在塑性變形發生前能承受的最大載荷的分析方法[1]。它基于材料的非線性特性，通常采用理想彈塑性模型來預測結構在塑性變形發生前能夠承受的最大載荷[12]。在這個模型中，材料在屈服點之前表現出完美的彈性行為，即應力與應變之間的關系是線性的，并且可以通過虎克定律來描述。這意味著，只要應力不超過材料的屈服強度，材料就能夠在去除外力后完全恢復到原始形狀，不留下任何永久變形。

然而，一旦應力超過屈服點，理想彈塑性模型假設材料的強度不再增加，即不考慮應變強化效應。這意味著材料的變形能力變得無限大，應力水平保持不變，這在現實中是不可能的。實際上，大多數工程材料在屈服后都會表現出一定程度的應變強化，即隨著塑性變形的增加，材料的抗變形能力會逐漸增強[13]。在這個階段，強化作用被忽略，切線模量設置為0。在 250^°C 的設計溫度下，奧氏體不銹鋼S30408的彈性模量 E= 183GPa ，泊松比 μ=0.3 ，屈服強度 σ_s=135MPa 。

在進行極限載荷分析的過程中，目的是為了促使材料進入屈服狀態，這通常需要施加一個高于結構最大承載能力的載荷。在此過程中，所施加的載荷應當保持等比例增加。在筒體、封頭及接管上施加3倍的設計壓力，在裙座底部施加固定約束。載荷及約束的加載情況如圖11所示。

將非線性計算中的載荷拆分為多個載荷子步進行求解，有助于增強計算的收斂性[14]。通常情況下，子步數量的增加會縮短時間跨度，從而有利于系統的收斂。然而，過多的子步數可能會導致計算過程耗時過長并消耗不必要的計算資源。相反，如果子步數設置得較少或者時間步長設置得過大，可能會帶來計算結果的不精確或者計算過程難以達到收斂狀態。因此，合理地配置子步的數量是確保計算效率和結果準確性的關鍵。經過綜合考量各種相關因素，確定在載荷步驟中，將最小載荷步和最大載荷步分別設定為100和500。初始載荷的步數定為100，通過增量加載的方式進行逐次迭代計算，自的是確定結構在失穩之前最后一次實現收斂的子步所對應的載荷值，這代表了結構的臨界承載能力。在迭代的每個子步中，施加的載荷大小是該步驟持續時間與載荷值本身的乘積。

在本研究中，使用單元解法對結構的極限載荷進行分析，并且在此過程中并未對高斯積分點進行外推處理，若在分析中考慮了積分點外推，那么模型預測的屈服強度將會提升，塑性流動現象也會相應增強。當材料達到其屈服強度時，模型計算時將模擬出塑性變形現象，并在此時終止。在僅施加內部壓力的情況下，各個子部件的載荷與位移關系曲線如圖12所示，該曲線在達到發散點之前呈現出特定的行為特征。

由圖12可知，隨著載荷的增加，結構的位移與載荷之間呈現出線性關系，這表明結構在前期呈現出彈性改變。隨著載荷逐步提升，結構開始經歷塑性變形，并逐步趨向于臨界狀態。一旦達到這個臨界點，結構的承載能力達到極值，此時即便是較小載荷的增加也可能導致結構發生無法控制的形變，即塑性破壞，表現為結構的失效。在經過0.86631s后，計算結果開始發散，得出筒體極限載荷為 8.58MPa ，考慮安全系數為1.5，得到筒體許用壓力為 5.71MPa ，大于設計壓力（筒體設計壓力 3.3MPa ），滿足強度要求。圖13為應力分布云圖。

5結論

5.1比較了前10階的固有頻率和振型，干燥器的低階頻率比較接近。通過對不同保溫層厚度情況下進行模態分析，發現保溫層厚度對固有頻率的影響較小，在低階模態中該影響可以忽略不計。各階固有頻率隨著保溫層厚度的增加而降低。隨著保溫層厚度的增加，結構在各個階數下的最大位移變形均有減少，最大變形量不超過7mm 。對比不同保溫層厚度下的位移變形情況，發現保溫層厚度的變化對結構的固有頻率和振型的影響是可以忽略的。

5.2隨著模態階數的增加，溫度變化對頻率的影響變得更加顯著。在不同溫度條件下，干燥器對應階次的振型無明顯差異，且這些階次的相對位

移變化不大，表明溫度的改變對振型的影響很小；同時，在內部壓力作用下，結構的固有特性并沒有顯著的變化，這意味著內部壓力對結構的固有頻率和振動形態的影響是可以忽略不計的。綜上，認為振動對干燥器疲勞壽命的影響可以不予考慮。

5.3對氫氣干燥器進行極限載荷分析，求解得到了干燥器到達屈服極限時內部壓力的極值，取1.5 為安全系數，得到筒體許用壓力為 5.71MPa ，大于干燥器的設計壓力 3.3MPa ，可為實際工程應用提供參考。

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（收稿日期：2024-07-19，修回日期：2025-05-20）

Study on the Fatigue Damage of Hydrogen Gas Dryers

CAI Zhi-yu，DONG Jin-shan，REN Qing-qing

（CollegeofMechanical andPowerEngineering，Nanjing TechnologyUniversity）

AbstractA hydrogen gas dryer was taken as the object to investigate the vibration impact caused by earthquakes on the fatigue life of dryers，including making use of modal analysis module in ANSYS Workbench to perform modal analysis on dryers.Through changing the thickness of diffrent insulation layers，the material elastic modulus，internal pressure，other parameters，natural frequencies and the vibration modes of the first 10 orders were analyzed and compared to show that，the wallthickness of thermal insulation layer influences the natural frequency litle and the material's elastic modulus influences higher-order natural frequency greater than that on lower order natural frequency，and the internal pressure's effect on the natural frequency of the structure can be ignored.In summary，the vibration impact on the fatigue damage of the dryer can be disregarded.Inaddition，in order to further ensure thereliabilityof structural design，the limit load analysis conducted on the hydrogen dryer indicates that，the maximum limit load the equipment can withstand is 5.71 MPa，which outperforms the design pressure（3.3 MPa） in this case .

Key words hydrogen dryer，pressure vessel， numerical simulation，modal analysis