有限元法对车载钢制天然气瓶疲劳分析.docxVIP

?

?

有限元法对车载钢制天然气瓶疲劳分析

?

?

杨兴

摘?要：该文首先系统地阐述了基于疲劳损伤理论的气瓶寿命的计算方法;再针对车用钢制天然气气瓶使用过程中会对气瓶强度产生影响的因素进行探讨;最后在某型车用气瓶强度分析的基础上依据损伤理论以及计算方法给出了该型气瓶的使用寿命情况，同时也系统地分析了一些使用因素对气瓶寿命的影响。该计算方法与分析过程可以为车用天然气气瓶的安全使用以及检测提供理论基础和依据。

关键词：气瓶?疲劳损伤理论?使用寿命?有限元

：TG151??文獻标识码：A：1672-3791（2020）02（a）-0043-07

Abstract：Thispapersystematicallyexpoundedcylinderlifecalculationmethodbasedonthetheoryoffatiguedamage;Intheprocessoftheuseofsteelforthevehicle，thefactorsaffectingthestrengthofthecylinderarediscussed;Finallyonthebasisofacertaintypeofcarcylinderstrengthanalysis，Accordingtothedamagetheoryandcalculationmethod，theservicelifeofthistypeofcylinderisgiven，Theinfluenceofsomefactorsonthelifeofthecylinderisalsoanalyzed.ThecalculationmethodandanalysisprocesscanprovideatheoreticalbasisandfoundationfortheCNGcylindersforsafeuseandtesting.

KeyWords：Compositecylinder;Fatiguedamagetheory;Servicelife

伴随着国家汽车工业的高速发展，能源的巨大消耗和尾气排放导致的空气污染问题越来越严重，而以压缩天然气为燃料的清洁能源汽车，能够极大地缓解能源紧缺和空气污染这两大问题。近年来，车用压缩天然气（CNG）气瓶在国内外已得到大量使用。其安全性能一直受到国家和市场的重视。

对于压力容器的疲劳断裂的分析，主要对其寿命周期性进行分析，在这个过程当中，需要根据实际情况来对压力容器疲劳断裂的寿命进行分析，在分析的过程当中，需要在数据的基础上进行有限元分析数据模型的建立，可以对压力容器的应用时间和裂纹变化情况来做出科学合理的分析。通过对压力容器疲劳断裂产生的因素进行分析总结，实现现代工业压力容器的合理应用。

1?疲劳寿命分析原理

1.1miner累积疲劳准则

通过测量各级应力的频次与零件S-N曲线上的理论频次之比的累积值就得到零件的损伤量。若试件受到σ1，σ2，…，σn等n个不同应力水平的作用，试样在各级应力水平下的理论寿命分别是N1，N2，…，Nn，而各级应力水平下的实际循环数为n1，n2，…，nn，则应力等级σi的损伤分量为[1]：

αi=ni/Ni????（1）

由此可得该试件每个循环的总损伤：

a????（2）

则试件可以承受的总周期数为：

（3）

试件的疲劳寿命为：

（4）

1.2疲劳载荷谱

气瓶在使用过程中往往承受着疲劳载荷，通常将载荷和应力随时间变化的历程分别称之为载荷谱或应力谱。该文疲劳分析时，载荷由2MPa加载到30MPa，然后卸载到2MPa，一分钟8次，如图1载荷循环曲线所示[2，3]。

1.3材料疲劳寿命曲线

气瓶材料采用35CrMo，经过调制处理，机械性能具体见表1[4]。

材料S-N曲线：首先确定理想材料曲线，对疲劳系数进行修正。

S-N曲线的通用表达式为：

lgN=α+blgσ????（5）

当：N=106时，

（6）

查表[4]：

σb=924MPa，δ=0.4701，k=0.1135

P-S-N曲线是S-N曲线和概率的结合，P是指失效概率。P-S-N曲线的通用表达式为[5]：

lgNp=αp+bplgσ????（7）

P=95%，最终修正后疲劳曲线如图2所示。

lgN=α+nlgσ????（8）

2?气瓶强度与疲劳寿命分析

2.1有限元模型

几何模型：80L模型，可重复充装、贮存压缩天然气的车用压缩天然气钢质无缝钢瓶。

主要设计参数为：