天然气长管拖车罐体缺陷分析

【摘要】：压缩天然气（Compressed Natural Gas），简称CNG。随着压缩天然气的快速发展，作为运输天然气的重要载体，天然气长管拖车罐体，又称CNG长管拖车气瓶，越来越受到人们的重视。我国自主生产和进口气瓶的数量越来越多，CNG长管拖车的行驶范围也变得更加广泛。因此，对CNG长管拖车气瓶安全问题的研究，已经成为特种设备安全的重要内容之一。通过对相关文献的查阅可以发现，目前国内对天然气长管拖车气瓶的研究还十分有限，我国质检总局在2008年才正式颁布《长管拖车定期检验专项要求》，对气瓶本身的研究也主要集中在缺陷的检验检测等方面，技术比较成熟。然而，在对气瓶缺陷的定量计算和分析部分，还比较欠缺。 本文首先针对具体的气瓶模型，对其整体进行有限元模拟与分析，直观的展示了气瓶各部分的应力应变及变形分布情况，找出了气瓶应力集中部位和该部分安全系数值。其中，最大应力值为366MPa，小于材料的屈服极限；变形量最大值为瓶体向下弯曲1.79mm，变形程度相对于10m长的瓶体可以忽略不计；应力集中处的安全系数大小为1.3155，大于1。 其次，针对实例中的具体裂纹，对气瓶进行2-D裂纹模拟，采用1/4节点，计算气瓶在不同裂纹深度下，应力强度因子的大小，并绘制对应裂纹深度下应力强度因子的变化曲线。在临界应力强度因子下，气瓶临界裂纹尺寸为4.5mm。 然后，以气瓶中心为坐标，建立气瓶的1/4截面模型，模拟气瓶在充气、卸气时的循环载荷工况，对其进行疲劳分析，预测气瓶的寿命。通过查JB4732-1995，输入气瓶的S-N曲线值，设定气瓶加载循环次数20000次。对气瓶做疲劳分析，得出气瓶的疲劳寿命为159400次，即气瓶的充卸次数N≦159400，大于规定值，按照规定充装气瓶，是安全的，气瓶的疲劳累积损伤系数为0.12547，小于1，说明气瓶设置充装次数为20000次时，符合其疲劳强度要求。 最后，本文还建立起了气瓶裂纹与疲劳的关系，利用拟合后的Paris公式，给出了气瓶的疲劳扩展率公式。同时补充了气瓶的其他失效模式，有纯腐蚀失效、螺纹连接失效以及鼓包失效，并简要的给出了相应的解决方案。 【关键词】：压缩天然气 气瓶 有限元 缺陷分析
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE972
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题的研究背景及意义11-12
• 1.2 天然气的介绍12-13
• 1.2.1 天然气的概念12
• 1.2.2 天然气应用的优点12-13
• 1.2.3 CNG 的介绍13
• 1.3 CNG 长管拖车及拖车气瓶概述13-18
• 1.3.1 CNG 长管拖车介绍13-15
• 1.3.2 CNG 长管拖车的使用优势15-16
• 1.3.3 CNG 长管拖车气瓶介绍16
• 1.3.4 CNG 长管拖车气瓶的设计和制造要求16-18
• 1.3.5 CNG 长管拖车气瓶的检验要求18
• 1.4 CNG 长管拖车气瓶在国内的研究现状18-19
• 1.5 长管拖车气瓶目前存在的主要缺陷19-20
• 1.6 本文研究的主要内容20-21
• 第2章 CNG 长管拖车气瓶有限元静力分析21-39
• 2.1 气瓶有限元静力分析的意义21
• 2.2 气瓶有限元静力分析的基本原理21-22
• 2.3 ANSYS 在静力分析中的应用22-23
• 2.4 气瓶结构的介绍23-27
• 2.4.1 气瓶瓶口结构的介绍23-26
• 2.4.2 气瓶整体模型介绍及模型的建立26-27
• 2.5 气瓶材料定义及整体网格划分27-29
• 2.6 气瓶施加约束29-30
• 2.7 气瓶静力分析结果30-37
• 2.7.1 线性静力分析基础30-31
• 2.7.2 气瓶的应力分析31-33
• 2.7.3 气瓶的应变分析33-35
• 2.7.4 气瓶的总变形分析35-36
• 2.7.5 气瓶的安全系数分析36-37
• 2.8 本章小结37-39
• 第3章 CNG 长管拖车气瓶内表面平直裂纹有限元分析39-51
• 3.1 气瓶裂纹缺陷的介绍39-40
• 3.2 ANSYS 结构断裂分析基本过程40-43
• 3.2.1 断裂力学的典型参数40-42
• 3.2.2 ANSYS 中裂纹的模拟与分析42-43
• 3.3 气瓶的裂纹分析43-49
• 3.3.1 气瓶裂纹的分析方法43
• 3.3.2 气瓶裂纹的分析过程43-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 CNG 长管拖车气瓶疲劳分析51-61
• 4.1 气瓶疲劳分析的意义51
• 4.2 气瓶疲劳失效的有限元分析51-54
• 4.2.1 疲劳概念的介绍51-53
• 4.2.2 ANSYS 疲劳分析介绍53-54
• 4.3 气瓶疲劳分析过程54-60
• 4.3.1 气瓶的基本参数的定义54-55
• 4.3.2 1/4 气瓶模型的建立及其网格划分55-57
• 4.3.3 1/4 气瓶模型求解57-59
• 4.3.4 1/4 气瓶模型的疲劳参数设定59-60
• 4.3.5 气瓶的疲劳计算结果60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 CNG 长管拖车气瓶其他失效模式研究61-69
• 5.1 气瓶的应力腐蚀疲劳失效分析61-63
• 5.1.1 气瓶的应力腐蚀疲劳失效分析的意义61
• 5.1.2 气瓶的应力腐蚀疲劳裂纹分析61-63
• 5.2 气瓶的纯腐蚀失效63-64
• 5.3 气瓶瓶端螺纹磨损失效64-66
• 5.4 气瓶鼓包失效66-67
• 5.5 气瓶失效的防治67-68
• 5.6 本章小结68-69
• 第6章 结论与展望69-71
• 6.1 结论69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-77
• 攻读硕士期间发表的学术论文77-79
• 致谢79

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