高壓儲氣罐的有限元應力分析

1、介紹

儲氣罐用于儲存壓縮氣體，在正常或緊急情況下提供足夠的氣體。氣罐結構簡(jiǎn)單，使用壽命長(cháng)，對環(huán)境污染少，成本低。隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，油箱在我國的應用越來(lái)越廣泛。為了提高儲氣罐的儲存效率，人們總是試圖提高儲氣罐內氣體的壓力和體積。因此，對高壓氣罐的結構進(jìn)行全面的計算分析，為設計提供理論依據，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。首先建立了儲氣罐的三維模型，然后根據薄殼理論和有限元法計算了儲氣罐結構的靜應力和變形，并對計算結果進(jìn)行了比較。根據比較結果，提出了罐體截面尺寸的適當調整方案，并對罐體結構進(jìn)行了優(yōu)化。

2、高壓儲氣罐三維模型

儲氣罐是一種鋼制壓力容器，有球形和圓柱形兩種。圓柱形儲氣罐由于安裝方便而得到廣泛應用。氣罐的結構比較簡(jiǎn)單，如圖1所示。它包括進(jìn)氣口、排氣口、安全閥和壓力表。隨著(zhù)高壓大容量?jì)夤薜某霈F，最大儲氣壓力達到4.5MPa，最大儲氣量達到600m3以上。

3、高壓儲罐的應力分析和理論計算

傳統的高壓油罐設計是基于薄殼理論進(jìn)行的。然而，由于儲氣罐的設計沒(méi)有規范，設計人員往往采用經(jīng)驗類(lèi)比法進(jìn)行設計和計算，這使得儲氣罐的設計存在一些問(wèn)題。高壓氣體泄漏情況下，是否物料浪費無(wú)法控制。當圓柱形氣罐的壁厚差遠小于其內徑D時(shí)，稱(chēng)為薄壁圓筒。

4、高壓儲氣罐的有限元分析

4.1有限元分析預處理

采用MSC對高壓儲氣罐進(jìn)行了有限元計算和分析。Marc軟件。有限元分析的預處理包括網(wǎng)格劃分、加載模式、邊界約束、材料參數等。有限元模型的網(wǎng)格劃分直接影響計算速度和精度。由于儲氣罐的軸對稱(chēng)特性，為了在不影響精度的前提下減少計算量，采用軸對稱(chēng)方法對儲氣罐進(jìn)行研究，可以減小模型規模，節省計算時(shí)間。

4.2有限元分析

有限元分析結果可以直接以圖形的形式顯示出來(lái)，使結構的重應力部分一目了然。因此，可以根據計算結果對儲氣罐的結構進(jìn)行改進(jìn)。氣柜軸對稱(chēng)模型的軸向應力圖如圖4所示。從圖中可以看出，最大軸向應力為125mpa，發(fā)生在內壁一側。

5、結論

(1)采用薄殼理論計算得到的軸向應力和切向應力值與有限元分析結果基本一致，說(shuō)明儲氣罐的設計參數應根據這些因素進(jìn)行考慮。

(2)馮·米塞斯應力理論計算結果與有限元計算結果相差8%。安全系數[n] = 470251 = 1.87，滿(mǎn)足結構安全要求。(3)儲氣罐厚度為30，可以滿(mǎn)足強度要求。儲氣罐的重量約為25噸，既節省了材料，又能承受普通車(chē)輛的運輸。