车载高压天然气钢瓶的结构优化

论文摘要

采用压缩天然气(CNG)作为汽车燃料,是一种经济而有效的节能和环保措施,在国内外得到迅速推广应用,并充分显示出其在经济、节能和环保方面的优越性及较好的发展前景。虽然CNG技术的使用有非常严格的措施和标准保证安全,但天然气本身属于一级易燃、甲级防爆的危险品,CNG气瓶的应用和储存中应特别注意安全使用。近年来先后发生了多起CNG储气钢瓶(包括站用瓶和车用瓶)爆炸事故,产生了很大的负面效应。CNG气瓶是汽车使用的移动式储气设备,在保证其安全性的同时减轻重量既可以减少企业气瓶成本又可以减少一定的油耗给汽车用户带来经济效益达到双赢作用,所以CNG气瓶结构优化的一个重要目标就是保证安全的前提下减轻气瓶重量。因此本文对CNG气瓶的结构安全与结构优化设计进行了研究,主要的研究内容如下：(1)通过对各个规格的CNG气瓶的水压爆破试验获得爆破压力,均大于其设计最小爆破压力(45MPa)。气瓶爆破后均无碎片产生,爆破口位置均处于气瓶筒体部位中下端处,断裂形式为塑性断裂,有明显剪切唇,检查断口金属均无表面缺陷。通过ANSYS对各个规格气瓶进行结构应力分析模拟出气瓶在不同压力值下的应力分布。比较分析了气瓶模拟爆破压力值与试验爆破压力值,得出该模拟方法可用于工程上计算气瓶最小爆破压力。(2)通过对各个规格气瓶的水压疲劳试验获得了气瓶在不同应力幅值下的的疲劳试验寿命。根据试验结果拟合了该材料CNG气瓶的疲劳计算曲线,计算了各个规格气瓶在试验压力下的疲劳寿命。(3)通过ANSYS对各个规格气瓶进行结构优化分析。在保证气瓶疲劳寿命和最小爆破压力值的前提下对气瓶结构进行了优化,使得其应力分布更为合理,疲劳寿命统一,并且一定程度的减轻气瓶重量,经济效益明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 CNG钢瓶安全失效简述
• 1.2.1 CNG钢瓶工作破坏机理
• 1.2.2 CNG钢瓶结构优化与疲劳分析研究目的
• 1.3 结构优化设计研究现状
• 1.4 基于ANSYS的气瓶结构优化研究现状
• 1.5 气瓶疲劳分析研究现状
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 CNG气瓶性能试验
• 2.1 CNG气瓶制造工艺
• 2.1.1 CNG气瓶制造方法
• 2.1.2 CNG气瓶生产工艺及主要装备
• 2.2 CNG气瓶机械性能试验
• 2.3 CNG气瓶水压爆破试验
• 2.4 CNG气瓶水压疲劳试验
• 2.5 本章小结
• 第3章 CNG气瓶结构优化及疲劳分析方法
• 3.1 结构分析方法
• 3.1.1 CNG气瓶结构
• 3.1.2 CNG气瓶有限元计算模型
• 3.2 疲劳分析方法
• 3.3 结构优化设计方法
• 3.3.1 ANSYS优化模块简介
• 3.3.2 优化模块中的三大变量及优化数学模型
• 3.3.2.1 设计变量（DV）
• 3.3.2.2 状态变量（SV）
• 3.3.2.3 目标函数（OBJ）
• 3.3.2.4 优化数学模型
• 3.3.3 ANSYS的优化方法
• 3.3.3.1 无约束目标函数
• 3.3.3.2 搜索方法及搜索方向的确定
• 3.3.3.3 收敛准则
• 3.3.3.4 一阶方法的一些说明
• 3.3.4 ANSYS结构优化设计使用方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 CNG气瓶疲劳分析与结构分析
• 4.1 CNG气瓶结构静力计算
• 4.2 CNG气瓶爆破压力计算
• 4.3 CNG气瓶疲劳寿命计算
• 4.4 本章小结
• 第5章 CNG气瓶结构优化设计
• 5.1 CNG气瓶结构优化描述
• 5.2 CNG气瓶结构优化数学模型
• 5.3 CNG气瓶结构优化计算结果
• 5.3.1 Φ232×5.4规格CNG气瓶优化结果
• 5.3.2 Φ267×5.8规格CNG气瓶优化结果
• 5.3.3 Φ279×6.4规格CNG气瓶优化结果
• 5.3.4 Φ325×7.0规格CNG气瓶优化结果
• 5.3.5 Φ356×7.5规格CNG气瓶优化结果
• 5.3.6 Φ406×8.6规格CNG气瓶优化结果
• 5.4 CNG气瓶结构优化后讨论
• 5.4.1 优化后气瓶结构分析
• 5.4.2 优化后气瓶爆破压力分析
• 5.4.3 优化后气瓶疲劳分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果