CN108038344A - 一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构的设计方法，属于结构优化设计方法领域，具体包括以下步骤：建立液氢罐箱支撑结构的分析模型，在此基础上进行初步的有限元分析；进行静力结构分析，再基于静力结构分析结果，选择优化区域，对支撑结构模型进行拓扑优化，根据优化结果，增减模型材料；通过有限元方法对拓扑优化前后的有限元模型的强度和热分析对比，分析拓扑优化结果是否满足设计要求。通过在支撑结构上利用拓扑优化去除材料的方法，优化了支撑结构的应力分布，减少漏热，减轻质量，降低了材料成本，提高了绝热效率。

Description

一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法

技术领域

本发明涉及结构优化设计方法领域，特别涉及到一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法。

背景技术

为应对日趋严重的能源危机和环境问题，清洁能源的开发与利用受到社会各界越来越多的关注。氢能作为最高效清洁的燃料能源，被广泛应用于生产与生活中的各个领域。目前，氢气的存储方式主要有高压气态储氢、低温液态储氢、金属氰化物储氢及碳纳米管吸附储氢等，其中低温液态储氢方式一般采用真空绝热容器进行存储氢气，包括外壳和内容器，外壳和内容器之间需要设置真空绝热夹层，故在外壳和内容器之间设置有支撑结构，实现外壳和内容器之间的分离和相对固定。

业内关于支撑结构的设计理念，主要关注其支撑强度和漏热量，一般采取简单的计算公式获取较为保守的安全系数进行结构设计，设计完成后在通过有限元分析进行校核，或者是通过复杂的结构来保证支撑结构的强度和漏热量条件。采用这些常规的设计方法，其基本思路是按照最大的应力来考虑强度问题，没有优化应力的分布，强度设计过于保守。基于此设计出来的支撑结构，整体过于笨重，在成本及漏热等方面都具有优化的空间。此外，这种传统的设计方案，从设计到优化的周期过长，效率过低，需要改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于与拓扑优化的液氢罐箱支撑结构的设计方法，优化支撑结构的应力分布，提出最大强度和最少漏热的设计方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法，所述支撑结构包括玻璃钢支撑、支撑圆柱和支撑架，包括以下步骤：

S1：根据初始设计图纸建立支撑结构的有限元模型，并将支撑结构模型定义为一个实体，定义各零件的材料属性，定义单元类型为SOLID95，定义支撑结构模型的边界条件；

S2：基于所述边界条件进行静力结构分析，再基于静力结构分析结果，采用变密度法，以体积减少量为约束条件，以最大刚度为目标函数，选择优化区域，对支撑结构模型进行拓扑优化，根据优化结果，在载荷冲击的正方向保留支撑材料，在圆周相隔90°方向对称去除材料，得到初步设计完成的支撑结构；

S3：通过有限元方法对拓扑优化前后的有限元模型的强度和热分析对比，分析拓扑优化结果是否满足设计要求，是则完成优化，不满足则重复执行步骤S2。

进一步地，在步骤S1中，边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件，在定义边界条件时，首先定义支撑结构模型中的约束边界条件为固定约束，加载在支撑圆柱与外壳的接触面、所述支撑架与外壳的接触面上；再根据工况定义支撑结构模型中的载荷边界条件。

更进一步地，根据分析所述支撑结构的工况，其载荷主要来自于运输过程中上下左右等四个方向的冲击作用，由于支撑结构是一个轴对称结构，所以只需选择任意方向的加速度冲击，冲击力主要来自于内容器，主要施加在所述玻璃钢的外表面，冲击力大小的计算公式为：

F_总＝(M_内容器+M_液氢)*a

其中，F_总为总的冲击力，M_内容器为内容器质量，M_液氢为液氢最大充注质量，a为加速度，又由于所述内容器是一个两端支撑结构，所以实际受力为F＝F_总/2。

进一步地，在步骤S2中，定义优化区域为除了所述玻璃钢以外的所有实体，定义非优化区域为所述支撑圆柱、支撑架的端面。

进一步地，在步骤S2中，支撑结构刚度最大化的优化模型为：

目标函数min.Uc＝{u}^T[K]{u}

约束函数0＜η_i≤1

V≤V0–V’

其中：Uc：柔量能量，与刚度成反比，Uc最小，则刚度最大；

[K]为刚度矩阵，{u}为位移矩阵，{u}^T为位移矩阵的转置矩阵；

η_i：第i个单元的伪密度，i＝1,2,3...；

V：优化后体积；V0：原体积；V’：去除的体积。

进一步地，在步骤S2中，执行迭代优化，将最大迭代步数设置为30步，收敛容差设置为0.001。

依据本发明提出的氢罐箱支撑结构设计方法，对比拓扑优化前的支撑结构，优化后的支撑结构的应力显著提高，漏热量比优化前的设计方案有所降低，总体质量也有所减轻，降低了材料成本，提高了绝热效率。此外，本发明所述的设计方案对其他低温储罐的类似结构的优化设计也具有借鉴意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明罐箱支撑结构的初始设计图。

图2是本发明罐箱支撑结构的有限元模型图。

图3是本发明罐箱支撑结构的拓扑优化结果示意图。

图4是本发明罐箱支撑结构的最终设计图。

附图中

1、外壳 2、内容器 3、玻璃钢

4、支撑圆柱 5、支撑架

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本实施例中，公开了一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法，利用了ANSYS有限元分析软件，包括以下步骤：

S1：建立液氢罐箱支撑结构的分析模型，在此基础上进行初步的有限元分析，具体地包括以下子步骤：

S11：利用现有的支撑结构设计方法，通过UG/SolidWorks等三维建模软件建立支撑结构的三维模型，初始设计如图1所示，包括外壳1、内容器2、玻璃钢3、支撑圆柱4和支撑架5。支撑圆柱4焊接在外壳1上，支撑柱4周围焊接有支撑架5，支撑架5底部也同样焊接在外壳1内侧，玻璃钢3为圆环结构，玻璃钢3的内环套设在支撑柱4上，可以在支撑柱4上滑动，外环与内容器2焊接连接。

S12：将建立好的几何模型输出为Parasolid文件，导入到ANSYS有限元分析软件中建立有限元模型，如图2所示，由于本设计方案主要考虑支撑结构的支撑强度和漏热量，故将模型简化为一个由玻璃钢3、支撑圆柱4和支撑架5组成的轴对称结构，并将上述所有实体都设置为一个部件，避免定义各零件之间的接触。

S13：在ANSYS软件中定义材料属性，储罐中所用到的材料如下表所示，

其中，支撑圆柱4和支撑架5的材料为16MnDR，玻璃钢3的材料为玻璃钢G3848。

S14：定义单元类型：在本实施例中，选用的单元类型为SOLID95。

S15：定义边界条件：边界条件分为约束边界条件、载荷边界条件。

约束边界条件：在本实施例中，将支撑圆柱4与外壳1的接触面、支撑架5与外壳1的接触面，都设置为固定约束。

载荷边界条件：罐箱支撑结构的载荷主要来自于运输过程中上下左右等四个方向的冲击作用，冲击力主要来自于内容器2。参考JB-4732标准，本实施例取侧向加速度冲击2g、垂直向下加速度冲击2g、垂直向上加速度冲击2g。由于本支撑结构是一个轴对称结构，所以只需选择任意一个方向的2g加速度冲击即可。所有的冲击力都施加玻璃钢3的外表面上，因此可以得到下列关系式：

F_总＝(M_内容器+M_液氢)*2*g，

其中：F_总为总的冲击力，M_内容器为内容器质量，M_液氢为液氢最大充注质量。

再由于内容器2是一个两端支撑结构，所以实际受力为F＝F_总/2。

例如在40英尺罐箱的支撑结构中，玻璃钢支撑受到的冲击力为F＝248700N。

S2：进行拓扑优化：在ANSYS有限元分析软件的Workbench中进行拓扑分析，先基于S15定义的边界条件进行静力结构分析，在根据静力结构分析的结果进行拓扑优化。

在本实施例中，拓扑优化方法采用变密度法，以体积减少量为约束条件，以最大刚度为目标函数，即是在体积减少的同时，保证结构的最大刚度。拓扑结果以单元的伪密度显示，单元密度高则应保留此单元，单元密度低则可去除此单元，保留和去除根据所需的体积减少量确定，在本实施例中，体积减少量设定为50％。具体地，包括以下子步骤：

S21：将支撑圆柱4和支撑架5的断面定义为固定支撑，给玻璃钢3的外圈施加F_总，进行静力结构分析。

S22:：选择优化空间。

在支撑结构的模型上选择优化空间，并将优化空间离散成有限个单元，设置要优化分析区域的材料单元类型号编号为1，不优化区域的单元为其他编号。在本实施例中，由于玻璃钢只能加工成规则形状，不存在优化空间，所以只定义优化区域为除了玻璃钢3以外的所有实体，且在此基础上继续定义非优化区域为支撑圆柱4、支撑架5的端面。

S23：设定目标函数。

目标函数min.Uc＝{u}^T[K]{u}

约束函数0＜η_i≤1

V≤V0–V’

其中：Uc：柔量能量，与刚度成反比，Uc最小，则刚度最大；

[K]为刚度矩阵，{u}为位移矩阵，{u}^T为位移矩阵的转置矩阵；

η_i：第i个单元的伪密度，i＝1,2,3...；

V：优化后体积；V0：原体积；V’：去除的体积。

S24：执行迭代优化：将最大迭代步数设置为30步，收敛容差设置为0.001，优化结果如图3所示，其中，颜色最深的区域为可去除材料的区域。

S25：针对优化后结构进行简化处理，处理后有限元模型如图4所示：分析图3中的优化结果，可以发现，在支撑圆柱4和支撑架5上有较多的体积减少，由于受载荷的对称性，所以将拓扑优化的部分对称考虑，在载荷冲击的正方向保留支撑材料，在圆周相隔90°方向对称去除材料。并对材料连接处做适当的倒角处理，这里采用的是r＝20mm倒圆角。

S3：利用有限元分析对设计完成的支撑结构进行强度和漏热量的校核。

将优化前后的模型，分别进行有限元静力结构分析，并对比其刚度及质量，判断是否符合优化的目的。如果是，则完成优化。如果否，则修改优化区域、约束条件和迭代设置，重新执行S21-S25步骤。

本实施例优化结果对比如下表所示：

对比拓扑优化前的支撑结构，优化后的支撑结构的应力显著提高，漏热量比优化前的设计方案有所降低，总体质量也有所减轻，降低了材料成本，提高了绝热效率，符合优化设计的设计要求。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法，所述支撑结构包括玻璃钢支撑、支撑圆柱和支撑架，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据初始设计图纸建立支撑结构的有限元模型，并将支撑结构模型定义为一个实体，定义各零件的材料属性，定义单元类型为SOLID95，定义支撑结构模型的边界条件；

S2：基于所述边界条件进行静力结构分析，再基于静力结构分析结果，采用变密度法，以体积减少量为约束条件，以最大刚度为目标函数，选择优化区域，对支撑结构模型进行拓扑优化，根据优化结果，在载荷冲击的正方向保留支撑材料，在圆周相隔90°方向对称去除材料，得到初步设计完成的支撑结构；

S3：通过有限元方法对拓扑优化前后的有限元模型的强度和热分析对比，分析拓扑优化结果是否满足设计要求，是则完成优化，不满足则重复执行步骤S2。

2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法，其特征在于：在步骤S1中，所述边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件，在定义边界条件时，首先定义支撑结构模型中的约束边界条件为固定约束，加载在所述支撑圆柱与外壳的接触面、所述支撑架与外壳的接触面上；再根据工况定义支撑结构模型中的载荷边界条件。

3.根据权利要求2所述的一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法，其特征在于：根据分析所述支撑结构的工况，其载荷主要来自于运输过程中上下左右等四个方向的冲击作用，由于支撑结构是一个轴对称结构，所以只需选择任意方向的加速度冲击，冲击力主要来自于内容器，主要施加在所述玻璃钢的外表面，冲击力大小的计算公式为：

F_总＝(M_内容器+M_液氢)*a

其中，F_总为总的冲击力，M_内容器为内容器质量，M_液氢为液氢最大充注质量，a为加速度，又由于所述内容器是一个两端支撑结构，所以实际受力为F＝F_总/2。

4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法，其特征在于：在步骤S2中，定义优化区域为除了所述玻璃钢以外的所有实体，定义非优化区域为所述支撑圆柱、支撑架的端面。

5.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法，其特征在于：在步骤S2中，支撑结构刚度最大化的优化模型为：

目标函数min.Uc＝{u}^T[K]{u}

约束函数0＜η_i≤1

V≤V0–V’

其中：Uc：柔量能量，与刚度成反比，Uc最小，则刚度最大；

[K]为刚度矩阵，{u}为位移矩阵，{u}^T为位移矩阵的转置矩阵；

η_i：第i个单元的伪密度，i＝1,2,3...；

V：优化后体积；V0：原体积；V’：去除的体积。

6.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的液氢罐箱支撑结构设计方法，其特征在于：在步骤S2中，执行迭代优化，将最大迭代步数设置为30步，收敛容差设置为0.001。