低温LNG运输车罐体结构强度的有限元分析

2009年第3期
总第169期
低 温 工程 CRYOGENICS
No．3 2009
Sum No．169
低温LNG运输车罐体结构强度的有限元分析
袁新辉冯 毅
(华南理工大学广州510640)
摘 要：以低温LNG运输车罐体为研究对象，借助ANSYS为平台，采用有限元的计算方法计算
罐体的应力分布特征与结构强度。在分析罐体静态结构应力的基础上考虑运输过程中的一些动态因
素。实践表明支承件处是整个罐体散热的集中区域，计算结果表明：考虑动态冲击时峰值应力比不考
虑时高了30 MPa一50 MPa；车体突然下降给罐体的冲击要大于突然刹车给罐体的冲击；动态条件下，
当LNG压力为O．5 MPa时，4个支承件完全符合罐体的强度要求。
关键词：LNG运输车罐体 动态冲击栽荷 有限元分析
中图分类号：TB658 文献标识码：A 文章编号：1000-6516(2009)03-005l讲
Finite element analysis of low temperature LNG
transporter tank’S structural strength
Yuan Xinhui Feng Yi
(South China University of Technology，Gulmszhou 510640，China)
Abstract：Taking the low temperature LNG(1iquefied nature gas)transporter tank as the research ob—
ject，the tank structural characteristics of dynamic mutation during transport were calculated．The fact is
that the supporting place is the centre radiation region of the tank shell．The calculation result shows that
the peak stress is 30 MPa一50 MPa higher when the dynamic impact is considered than that is not．The
sudden drop impact to tank body is greater than that of sudden brake．When LNG pressure
is 0．5 MPa，the
four supporting pieces can perfectly meet the tank body’S intensity requirement．
Key words：LNG transporter tank；dynamic impact load；finite element
l 引 言
天然气的供气方式主要有两种：管道输气和液化
天然气(LNG)运输…。LNG运输具有灵活性、经济
性等特点，而槽车是陆上LNG运输的重要工具。目
前关于大型LNG槽车罐体结构的研究主要集中在静
态方面。由于在运输过程中要考虑突然刹车、突然下
降等因素，给支承处的罐体带来了很大的冲击。在要
保证罐体强度的条件下，只有靠增加支承件的数量，
收稿日期：2009-03一10；修订日期：2009-05—24
作者简介：袁新辉，男，26岁，硕士研究生。
但增加支承件的数量会导致罐体热量的大量散
失旧1。经计算表明有4个支承件的20 t LNG运输车
罐体其支承件的散热量占总散热量的55．1％，在实
际运输中支承处会出现冰洁现象。且LNG运输是属
于低温运输(一190 oC)、几何结构的特殊性与边界条
件的复杂性，使理论计算罐体结构的受力、变形以及
强度的验证有一定的难度。有限元的发展与成熟为
解决这类复杂的问题提供了有利的工具一1。
本文借助ANSYS平台，对LNG槽车罐体结构进
  万方数据52 低温工程 2009年
行动态的分析，求得LNG运输过程中的前后支承件 型。
的力学结果、罐体的力学性能。使其能够找到在满足
设计条件下的最少支承件数量与罐体的最佳厚度。
2罐体结构计算的有限元模型
2．1 问题描述
模拟计算的是某公司的低温液体运输半挂车内
胆(罐体)的结构强度。罐体由前后4个支承件支
撑，考虑到热胀冷缩等因素，罐体后两个支承件完全
固定，前两个支承件有一定的活动空间。罐体全长
12 850 mm，内径2 335 mm，罐体壁厚均匀，无尖角。
材料为0Crl8Ni9。支承件的结构是空心圆柱体，材
料为G3848，前支承件圣180x75，内径4'130；后支承
中180×75，内径痧110。图1为罐体的示意图。设计
参数如下。
设计压力：LNG的压力(表压)取0．78 MPa；
设计温度：一190 oC；
设计质量：罐自重6 588．46 kg，核定载重20 280
kg；
弹性模量：E=2．06×1011 Pa；
泊松比：弘=0．3。
l 2 3 4 5 6
圈l LNG罐体结构示意图
1．外壳；2．后支承件；3．补强圈；4．罐体；5．前支承件；6．保温层。
Fig．1 Diagram dLNG tank structure
2．2有限元计算模型
有限元模型的建立是有限元分析的前提和关键，
所有施加到实体边界上或有限元模型上的载荷和约
束都最终传递到有限元模型上进行求解。所以有限
元模型的好坏直接影响分析的结果和计算精度。根
据LNG槽车罐体的结构特性和受力特点，后支承处
受力复杂，除了受到内压力，也受到阻止罐体前冲的
压力与突然下降的冲击力，而前支承的前冲压力施加
于前部椭圆封头表面。因此后支承处受力比前支承
处要复杂。所以取后支承附近的整个罐体的1／4作
为分析对象H】。图2是后支承1／4罐体的有限元模
圈2后支承1／4■体的有限元模型
F喀2 Latter supporting 1／4 shell of tank’s
finite element model
(6；6，6。)7的函数‘引，因此，由变分法可知：
(a别E．I 1羞=。 (1)
E，=u+y=；【丁1(6)7觞一(6)7凡】(2)
式中，R为节点载荷，L=(F“FuFh)7；I|}为劲
兰(atb口)=2ab，兰(ate)=c (3)
da d口
暑鲁=；c蠡5一，。，=；[[三!]一[三兰]]c4， 另6对6。求导得：芸=(1 o o)’ (5’
∑，；=∑F“(i=1，2,3，…n) (6)
  万方数据第3期 低温LNG运输车罐体结构强度的有限元分析 53
力学特征的关键。由于对称，在模型的两个轴向截面
与横向截面上施加对称约束哺】。由于后支承件完全
固定，其约束就是限制罐体的横向与纵向位移(纵向
方向为膏)。行车过程中，罐车有突然刹车、突然下
降、匀速运行等工况。
3．1 LNG给罐体内衷面的压力
为了简化计算，这里提出假设：自身的质量假设
为均散在液体中，这样液化天然气的当量密度为596
ks／m3。施加于罐体内表面的压力随液体高度变化，
如下：
(1)当向下重力加速度为l g时
△p=△pl一5 842(算一1．167 5)
(2)当向下的重力加速度为2 g时
△p；△p1—11 682(髫一1．167 5)
其中：△p。为体内压力，取最大LNG表压0．8×
10’Pa；x为坐标高度。
3．2 突然刹车给罐体冲击的等效戴荷
水平刹车加速度取0 g、l g及2 g 3种。在后支
承处，当罐体急速刹车时，支承件有一压力P。顶住罐
体，阻止罐体往前冲。这个压力大小是：2 g前冲时
P1=20．3×106 Pa，1 g冲时Pl=10．15×106 Pa。P1的
作用方向如图3。
3．3 突然下降给罐体冲击的等效栽荷
当槽车突然下降时，给罐体的冲击力可以等效于
支承处的集中力P：，在后支承处，这个集中力的大小
为：当向下重力加速度为1 g时，P2=4．7l×106 Pa；
当向下的重力加速度为2 g时，P2=9．415×106 Pa，
如图3所示。
围3皤体后支承图示
Fig．3 Diagram of latter supporting of tank
4罐体强度的有限元计算结果
考虑LNG运输车在运输中的最大工况与最恶劣
情况，即罐体内压为最大设计压力0．8 MPa，同时又
遇到突然刹车与车体突然下降，分别以2 g加速度的
等效冲击载荷施加于罐体支承处。计算得到后罐体
的应力分布云图如图4所示。
田4后罐体应力云图
Fig．4 Stress cloud chart of tank’s latter shell
从图4中可以看出，罐体的应力分布具有一定的
规律性，最大应力出现在罐体支承处，在支承处的周
围也处于应力峰值区。而支承处加强圈的应力峰值
位于支撵点偏上。为了更直观清晰的了解罐体的支
承处的应力分布状况，通过ANSYS后处理提取支承
点处罐体横向截面节点与加强圈节点的应力值并绘
成曲线，如图5所示。
图5后支承处罐体内表面应力
Fig．5 Internal surface stress of tank’S latter supporting
图6是分别考虑水平加速度与重力加速度对罐
体峰值应力影响的曲线，假设水平加速度为2 g时，
变化重力加速度，通过ANSYS后处理提取最大应力
值，并绘成图中的重力加速度影响曲线，同样假设重
力加速度为2 g时变化水平加速度得到另一曲线。
从图中明显看出重力加速度对罐体的冲击要大于水
平加速度对罐体的冲击。
图7是反应考虑动态与不考虑动态对罐体峰值
  万方数据54 低温工程 2009年
应力影响曲线，可以看出，考虑突变加速度时，罐体的
峰值应力有明显的增加。罐体材料的许用应力矿≤
等=[矿]．=137 MPa[7】，即当LNG压力达到。．5
MPa时，峰值应力就超过的罐体材料的许用应力。而
在静态条件下，LNG压力可以达到0．6 MPa。
280
山
霎瑚 翻
0 0．59 1．09 1．59 2．09
加速度
图6 突变加速度对罐体峰值应力的影响
Fig．6 Influence of sodden change acceleration
on peak stress of tank’s shell
250
已200
=
R 150
j警
蔷100
曼
避 50
0 O．2 0．4 O．6 0．8
罐体内LNG表压，MPa
圈7动态冲击对罐体应力的影响
啦．7 Influence of dynamic impact OD tank’s sheH stress
5结论
通过对LNG运输车罐体应力的有限元计算，得
到以下结论：
(1)在动态的运行条件下，罐体的应力分布具有
一定的规律性，峰值应力出现在支承点处；加强圈的
峰值应力在圆心角600处(支承处的圆心角为300)。
因此设计时在支承处应采用局部加强，以减少支承件
数量。
(2)水平刹车时加速度对罐体的影响几乎可以忽
略，而车体突然下降的重力加速度对罐体的冲击时罐
体的峰值应力增加了30 MPa一50 MPa。因此在LNG
设计过程中要考虑车体突然下降给罐体带来的影响。
(3)虽然前支承处没有水平冲击力，但由于前支
承件的玻璃钢内径较大，加强垫板较小，所以前支承
处也属于应力峰值区，也同样应对其采取加强措施。
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  万方数据低温LNG运输车罐体结构强度的有限元分析
作者： 袁新辉， 冯毅， Yuan Xinhui， Feng Yi
作者单位： 华南理工大学,广州,510640
刊名： 低温工程
英文刊名： CRYOGENICS
年，卷(期)： 2009(3)
被引用次数： 3次
  
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