一种船用球形压力储气罐的设计与应力分析

林树勇，杨 毅，孔虎子，庞春芳

● （1.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2.常州四新船用设备有限公司，江苏常州 213004）

一种船用球形压力储气罐的设计与应力分析

林树勇1，杨 毅1，孔虎子1，庞春芳2

● （1.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2.常州四新船用设备有限公司，江苏常州 213004）

设计了一种船用球形压力储气罐，应用软件Ansys进行了有限元建模，根据有限元模型的应力分析情况，选取三个危险截面仔细做应力分析，并进行结果评定。最后运用Ansys载荷步分析方法获得交变应力强度，分析了储气罐的疲劳性质。

储气罐；Ansys；有限元建模；应力分析

0 引言

作为一种常见的压力容器，储气罐在船舶行业中具有广泛的应用，它用来储存压缩气体，保证在正常或应急情况下，提供足量的气体。它对环境污染少、使用寿命长、结构简单和造价低。本文介绍一种船用球形压力储气罐的设计，之后应用Ansys软件进行有限元建模和应力分析[1]。

1 设计条件与计算

1.1 设计参数

储气罐V=2m3的基本设计条件和参数见表1。由表1可看出，储气罐工作过程中空气工作温度为-10℃～50℃，最高工作压力为8.9MPa，设计循环使用次数为1×104次。

1.2 材料选择

根据储气罐的具体工况（设计温度-20℃～65℃、设计压力 10.1MPa、介质为压缩空气），设备的主要受压元件支柱选用16Mn（正火）钢管，球壳选择Q345 R（正火）；管口锻件选择16Mn IV锻件（正火+回火）。

储气罐V=2m3各部件所用材料和介质的性能参数见表2，其中弹性模量取自JB4732-2005的表G-5，泊松比根据JB4732-95中公式（5-1）计算得到，16Mn IV（正火+回火）、Q345R（正火）和16Mn（正火）管材设计应力强度依据 GB 150.1～4-2011中相应的数据并按照 TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》规定的分析设计安全系数进行调整确定。假设材料的力学性能不受介质和环境的影响[2]。

表1 储气罐V=2m3的基本设计条件和参数

表2 材料性能参数

1.3 设计计算

1）球壳厚度计算。按JB 4732-95式（7-4）计算球壳厚度：

式中：δ为球壳的计算厚度，mm；pc为计算压力，MPa；Ri为球壳的内半径，mm；K为载荷组合系数；Smt为Q345R（正火）材料在65℃下设计应力强度，MPa。

腐蚀裕量为1.5mm；钢板的负偏差为0.3mm。取设计名义厚度δn=26mm。

2）地脚螺栓校核。地脚螺栓的材料选用16Mn，许用应力为[σ]=170MPa。共有16个地脚螺栓16-M33，单个螺栓的有效承载面积为670mm2；地脚螺栓承受向上36g的体力，单个地脚螺栓承受的单向拉伸载荷为62973N；则单个地脚螺栓的y方向拉伸应力为：σy=62973/670=94MPa；地脚螺栓承受水平方向的体力为横向14.5g和纵向7.5g，单个地脚螺栓承受的横向剪切载荷为28557N；则单个地脚螺栓的横向剪切应力为：τxy=28557/670=42.6MPa。单个地脚螺栓的最大主应力为：

单个地脚螺栓的最大剪切应力为：

根据以上设计计算结果，整体设计球形压力储气罐V=2m3。最终得到储气罐V=2m3的结构图如图1所示。

图1 储气罐V=2m3的结构图

2 应力分析

应力分析采用有限元软件Ansys进行计算。采用设计压力10.1MPa，得出储气罐V=2m3在内压作用下的应力强度值，查看球壳体、进/出气接管连接部位，以及支柱与球壳体连接处结构不连续部位的应力情况，依据强度判定准则，进行应力分类校核[3]。

2.1 有限元建模

根据储气罐V=2m3的结构形式和承载：整体考虑垂直方向36g，横向14.5g和纵向7.5g的体力作为附加外力的特点，对设备本体进行整体有限元建模计算。储气罐V=2m3三维实体模型如图2所示。

图2 储气罐V=2m3三维实体模型

采用Ansys提供的20节点六面体Solid95单元对结构进行六面体网格化，得到储气罐V=2m3有限元网格模型如图3所示。

图3 储气罐V=2m3有限元网格模型

进/出气口端部施加沿轴向的等效拉伸边界载荷Pe，球体内表面施加10.1MPa内压；基础环板下表面施加全位移约束；x方向施加14.5g的水平体力；y方向施加36g的垂直体力；z方向施加 7.5g的水平体力；其中Pe为-2.2333MPa（负号表示为压应力）。

2.2 有限元结果

采用有限元软件Ansys对储气罐V=2m3在设计压力10.1MPa的情况下进行应力分析，得到球壳体、进/出气接管连接部位，以及支柱与球壳体连接处结构不连续部位的应力情况图如图4～6所示[4]。

图4 球壳体的应力情况（MPa）

图5 进/出气接管连接部位的应力情况（MPa）

图6 支柱与球壳体连接处结构不连续部位的应力情况（MPa）

2.3 结果评定

根据有限元计算的应力分布结果，选取如图7所示的三个危险截面（A-A路径、B-B路径、C-C路径）进行分析，并进行结果评定，如表3～表5所示。

图7 三个危险截面的布置图（MPa）

表3 A-A路径：球壳上远离结构不连续处

表4 B-B路径：支柱垫板与相邻球壳连接的结构不连续处

表5 C-C路径：进/出气接口及与相邻球壳连接的结构不连续处

从表3～表5中可以看出，球壳体、支柱与球壳体连接处结构不连续的部位，以及进/出气接管连接部位处的应力结果评定为合格，其中最大的应力点出现在支柱垫板与相邻球壳连接的结构不连续处，此处的最大应力σ值为269.7MPa。

3 疲劳分析

对于疲劳问题，运用Ansys的载荷步分析功能，通过计算同一循环事件中的两个载荷状态下的应力场，然后将两者所得的结果相减获得应力强度幅值，寻找最大应力强度幅的位置，再根据JB4732-95附录C进行疲劳强度评定。

通过第2节应力分析得知，支柱垫板与相邻球壳连接的结构在不连续处内压载荷为10.1MPa和x方向施加14.5g的水平体力，y方向施加36g的垂直体力，z方向施加 7.5g的水平体力作为附加外力的情况下应力值达到最大。运用载荷步分析方法在分别获得交变应力强度值后，可以直接评定其疲劳性质。分别对于0MPa和8.9MPa两个载荷步，有限元计算的交变应力强度幅两倍应力分布如图8所示。计算结果表明，其交变应力幅值为140.405MPa。

将计算所得的交变应力幅值进行温度修正后为144.72MPa，查设计疲劳曲线图C-1[1]得到在交变应力幅值为144.72MPa时的允许循环次数为7.924×104次，已大于1×104次，结果合格。

图8 0MPa～8.9MPa压力波动下的交变应力强度幅两倍应力分布图(MPa)

4 结束语

本文介绍一种船用球形压力储气罐的设计，应用软件Ansys有限元建模的方法对储气罐的应力情况进行了分析，评定应力情况为合格。之后运用载荷步分析方法获得储气罐的交变应力强度幅，分析了储气罐的疲劳应力，评定疲劳性质为合格。本文的设计和应力评定方法可以为进一步设计制造压力更高、体积更大的储气瓶提供一定的依据。

[1]丁伯民,蔡仁良.压力容器设计-原理及工程运用[M].北京:中国石化出版社,1995.

[2]JB4732-95 钢制压力容器-分析设计标准[S].北京:全国压力容器标准化技术委员会,1995.

[3]张朝辉.Ansys11.0结构分析工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4]王立新,韩玉坤,佟占胜.高压储气罐的有限元应力分析[J].机械设计与制造,2009 (7):52-5.

Design and Stress Analysis of One Kind of Spherical Pressure Gas Tank for Ship

LIN Shu-yong1,YANG Yi1,KONG Hu-zi1,PANG Chun-fang2
(1.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China; 2.Changzhou Si Xin Ship Equipment Co.,Ltd.,Changzhou 213004,China)

One kind of spherical pressure gas tank for ship is designed.The finite element model is built by software Ansys.According to the stress distribution in the finite element model,three dangerous sections are selected and analyzed carefully,and the results are evaluated.Finally,the alternating stress intensity is obtained by using a load step analysis method of software Ansys,and the fatigue property of the gas tank is analyzed.

gas tank; software Ansys; finite element modeling; stress analysis

U671.3

A

林树勇（1985-）， ，硕士。主要从事船舶液压空气专业方面的研究。