基于ANSYS对车用液化天然气气瓶的失效模式分析

【摘要】：近年来，液化天然气（LNG）汽车作为一种节能环保车型发展十分迅速，车用液化天然气气瓶是该种车型的关键部件之一，作为一种新型产品，国内对它安全方面的研究相对较为缺乏，而且在许多城市还处在试运行阶段。因此，需要通过进一步的研究来提高其安全性能。 本文主要针对车用液化天然气气瓶进行了以下几方面的研究： 首先，本文利用ANSYS软件对车用液化天然气气瓶进行建模，并分别对其在额定工作压力1.6MPa和设计压力3.2MPa下，进行了静分析、热分析、运动工况分析、约束失效模式分析、撞击失效模式分析、腐蚀失效模式分析，并对计算结果进行了校核，得出如下结论： 1、正常工况数值模拟分析结论 当气瓶内筒的压力为1.6MPa时，气瓶在静分析、热分析和运动工况分析中都是符合强度要求的，是安全的。但当气瓶内筒压力为3.2MPa时，气瓶在内筒封头与瓶嘴的连接处、内筒封头与内筒筒身连接处均不满足强度要求。 2、失效模式分析结论 （1）对气瓶内筒施加轴向和环向约束，当气瓶内筒的压力为1.6MPa时，内筒筒身的一般位置、外筒瓶嘴与上封头的连接处和连接环与内筒筒身的连接处不满足强度要求；当气瓶内筒压力为3.2MPa时，不仅在上述位置不满足强度要求，还在内筒封头与筒身连接处、内筒上封头、内筒瓶嘴与上封头连接处不满足强度要求。 （2）对气瓶内筒施加径向和环向约束，当气瓶内筒的压力为1.6MPa时，内筒体筒身的一般位置、内筒封头与筒身的连接处、外筒瓶嘴与上封头的连接处和连接环与内筒筒身的连接处不满足强度要求；当气瓶内筒压力为3.2MPa时，不满足强度要求的位置与对气瓶施加环向、轴向约束时的一致。 （3）对气瓶内筒施加全约束，当气瓶内筒的压力为1.6MPa时，内筒体筒身的一般位置、内筒封头与筒身的连接处和连接环与内筒筒身的连接处不满足强度要求；当气瓶内筒压力为3.2MPa时，不满足强度要求的位置与对气瓶施加环向、径向约束时的一致。 （4）对气瓶进行撞击失效模式分析，当气瓶内筒的压力为1.6MPa时，外筒封头与外筒筒身的连接处不满足强度要求；当气瓶内筒压力为3.2MPa时，内筒筒身一般位置、内筒封头与筒身的连接处、内筒封头的一般位置、内筒瓶嘴与封头的连接处、外筒上封头与筒体的连接处均不满足强度要求。 （5）对气瓶进行腐蚀失效模式分析，当气瓶内筒的压力为1.6MPa，其内筒筒壁腐蚀到2mm时，内筒体的一般位置、内筒封头与内筒筒身的连接处、内筒上封头的一般位置、内筒瓶嘴与内筒封头连接处均不满足强度要求的要求，当气瓶内筒压力为3.2MPa，其内筒筒壁腐蚀到2.4mm时，内筒的一般位置、内筒封头与内筒筒身的连接处、内筒上封头的一般位置、内筒瓶嘴与内筒封头连接处均不满足强度要求的要求。 （6）对车用液化天然气气瓶在不同环境中的汽化时间进行了计算，当车用液化天然气气瓶处在火灾环境中，保温层发生失效，瓶内液化天然气的汽化时间较短，仅为0.22h和0.3h；而当气瓶处在常温环境中，保温层发生失效，瓶内液化天然气的汽化时间相对较长，为1.04h和1.41h。 然后，本文利用ALOHA软件对车用液化天然气气瓶发生事故后的事故后果进行了模拟，得出其事故危害范围和危害程度。 【关键词】：液化天然气 气瓶 汽车 有限元分析 失效模式分析
【学位授予单位】：首都经济贸易大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X933
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-16
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究意义12
• 1.2 国内外研究状况和发展前景12-14
• 1.2.1 国外研究状况12-13
• 1.2.2 国内研究状况13
• 1.2.3 发展前景13-14
• 1.3 研究目标与研究方案14
• 1.4 论文组织结构14-16
• 2 有限元分析16-57
• 2.1 有限元法和ansys软件简介16
• 2.2 液化天然气简介16-17
• 2.3 车用液化天然气气瓶的结构和参数特征17-19
• 2.3.1 车用液化天然气气瓶的结构17
• 2.3.2 车用液化天然气气瓶的尺寸17-18
• 2.3.3 车用液化天然气气瓶的主要技术参数18-19
• 2.4 车用液化天然气气瓶有限元模型的建立19-30
• 2.4.1 选择单元类型及设置相关属性的19-20
• 2.4.2 材料定义20
• 2.4.3 几何实体建模20-21
• 2.4.4 网格划分21
• 2.4.5 定义边界条件21-22
• 2.4.6 计算结果分析与校核22-30
• 2.5 热分析30-35
• 2.5.1 单元类型的选择30
• 2.5.2 计算结果分析与校核30-35
• 2.6 运动工况分析35-56
• 2.6.1 载荷施加35-36
• 2.6.2 计算结果分析与校核36-56
• 2.7 计算结果分析及建议56
• 2.8 本章小结56-57
• 3 失效模式分析57-94
• 3.1 约束失效模式分析57-75
• 3.1.1 失效机理57
• 3.1.2 环向、轴向约束失效57-63
• 3.1.3 环向、径向约束失效63-69
• 3.1.4 全约束失效69-75
• 3.2 撞击失效模式分析75-83
• 3.2.1 失效机理75
• 3.2.2 施加撞击载荷75-76
• 3.2.3 计算结果及校核76-83
• 3.3 腐蚀失效模式分析83-89
• 3.3.1 失效机理83-84
• 3.3.2 计算结果分析及校核84-89
• 3.4 保温层失效89-92
• 3.5 计算结果分析及建议92-93
• 3.6 本章小结93-94
• 4 事故后果分析94-100
• 4.1 ALOHA软件简介94-95
• 4.1.1 ALOHA软件的发展94
• 4.1.2 ALOHA软件的主要功能94-95
• 4.1.3 分析模型参数95
• 4.1.4 ALOHA软件特点95
• 4.2 基于ALOHA软件的车用液化天然气气瓶泄漏模拟分析95-99
• 4.2.1 基本参数95-96
• 4.2.2 事故后果仿真评价96-98
• 4.2.3 事故后果分析98-99
• 4.3 本章小结99-100
• 5 结论与展望100-102
• 5.1 结论100-101
• 5.2 展望101-102
• 参考文献102-105
• 附录105-192
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文192-193
• 致谢193-194
• 详细摘要194-203

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