CN108229069B - 一种提高液氢储罐防旋转装置有限元分析精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高液氢储罐防旋转装置有限元分析精度的方法，主要涉及液氢储罐液氢储罐应力分析技术领域，其中包括以下步骤：(1)创建静力学分析模块，建立液氢储罐的三维模型，并针对储罐模型进行结构静力分析，得到主模型的应力和应变结果；(2)在上述结构静力分析的基础上，创建子模型分析模块，切割防旋转装置的子模型，加载切割边界的位移载荷，并针对防旋转装置进行有限元分析，得到其应力分布结果。本发明提高了液氢储罐防旋转装置的计算分析精度，降低计算规模和计算成本，有效地解决了液氢罐体关键部位网格划分质量与计算精度之间的平衡，可以广泛应用于各类液氢储罐分析项目中。

Description

一种提高液氢储罐防旋转装置有限元分析精度的方法

技术领域

本发明涉及液氢储罐应力分析技术领域，特别涉及到一种提高液氢储罐防旋转装置有限元分析精度的方法。

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，其中，储氢容器的设计和制造也是氢能技术研究的重点之一。随着基于有限元法的计算机辅助工程技术CAE及其软件的发展和逐渐成熟，液氢储罐的设计与测试也广泛应用了仿真测试方法，用来模拟测试储罐在不同工况下的应力情况，优化储罐的设计方案。

但是，液氢储罐的结构随着市场需求的增加日益复杂，例如在储罐上增加了防旋转装置，该装置受力较大且结构复杂，是有限元分析时的难点。在运用传统的有限元分析方法对整个储罐进行应力分析时，一般会先用较粗的网格对整个储罐进行网格划分，在分析后找到应力较大的部位，即液氢储罐上的防旋转装置，然后就防旋转装置进行网格细分，再对整个储罐模型进行分析以确定较为精确的应力，这样反复几次直到防旋转装置的应力出现收敛时，就停止网格细分，将此结果作为此点的应力计算结果，但在每次计算时，都需要针对整个模型进行分析，计算效率很低，时常还存在对储罐的模型分析的精度不够，从而导致分析结果可信度不高，特别是对于防旋转装置的分析，常常出现应力集中现象，为了得到应力的收敛值，需要对应力集中点反复加密网格，然后对整个储罐模型进行计算，这样的反复计算耗时过长，因此需要改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高液氢储罐防旋转装置分析精度的方法，能够有效地提高防旋转装置的分析结果的精度和分析效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种提高液氢储罐防旋转装置有限元分析精度的方法，包括以下步骤：

步骤一，创建静力学分析模块，建立液氢储罐的三维模型，包括外罐体、内罐体、鞍座、防旋转装置、夹层支撑管件等部件，并针对储罐模型进行结构静力分析，得到主模型的应力和应变结果，具体包括以下子步骤：

S11：在静力学分析模块中构建液氢储罐的三维模型，并定义各零部件的材料类型，主要包括各类材料的弹性模量和泊松比；

S12：进行有限元网格划分，并定义各零件之间的接触关系将它们装配在一起；

S13：针对上述处理好的液氢储罐模型施加荷载，具体包括液氢储罐模型整体施加重力G，在鞍座底面施加固定载荷，对内外容器施加0.1MPa压力P，以及定义液氢储罐受到前进方向8g冲击加速度F；

S14：利用有限元分析算法(FEM)，根据液氢储罐的三维模型及其载荷约束条件，求解液氢储罐主模型的应力和应变结果；

步骤二，在上述结构静力分析的基础上，创建子模型分析模块，切割防旋转装置的子模型，包括外加强环、内加强环、玻璃钢板、内罐体限位柱、定位环、限位管顶盖、外罐体限位管，并针对防旋转装置进行有限元分析，得到其应力分布结果，具体包括以下子步骤：

S21：基于已获得的液氢储罐主模型的材料分布和应力分析结果，在子模型分析模块中利用slice切割方法建立液氢储罐防旋转装置的局部分析结构；

S22：重新定义防旋转装置子模型各类零部件之间的接触；

S23：对处理好的防旋转装置子模型进行网格划分；

S24：根据液氢储罐主模型静力学分析模块的计算结果，导入切割边界的边界约束条件，并载入荷载，导入切割边界处的位移结果数据将作为防旋转装置子模型的位移约束；

S25：利用有限元分析算法，根据防旋转装置的三维模型及其载荷约束条件，求解防旋转装置的总体等效应力和总体变形、玻璃钢最大主应力和最大剪应力。

进一步地，在步骤S12中，接触关系主要包括：支腿与内容器之间的接触，支腿与外容器之间的接触，支腿与鞍座之间的接触，鞍座与外容器之间的接触，防旋转装置与内容器之间的接触，防旋转转置与外容器之间的接触。

进一步地，在步骤S11中，采用部分结构抽中间面方法提高计算机的运算效率。

进一步地，在步骤S21中，切割防旋转装置子模型时，需要远离应力梯度大的区域，否则会影响计算结果的准确性。

进一步地，在步骤S23中，需对关键分析区域采用Refinement局部单元细化，具体包括内容器限位柱与定位环接触部位、玻璃钢与定位环接触部位。

利用本发明所述的方法对液氢储罐上的防旋转装置进行应力分析，只需对其子模型切割边界的合理性和液氢储罐主模型的结果准确度进行控制，无需进行反复的网格划分和应力分析，在研究分析时可以集中精力建设更精细、更真实的模型结构尺寸，以期消除因建模失真而对结果准确性的影响，获得更真实的应力解。此外，本发明降低计算规模和计算成本，有效地解决了液氢罐体关键部位网格划分质量与计算精度之间的平衡，可以广泛应用于各类液氢储罐分析项目中，且将其分析结果应用在液氢储罐的设计优化中，能够提高液氢储罐的使用安全。

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是本发明一种提高液氢储罐防旋转装置分析精度的方法的流程图。

图2是本发明液氢储罐的有限元模型图。

图3是本发明液氢储罐的应力分析结果图。

图4是本发明液氢储罐的应变结果图。

图5是本发明防旋转装置的结构示意图。

图6是本发明防旋转装置的有限元模型图。

图7是本发明防旋转装置的等效应力图。

图8是本发明防旋转装置的总体变形图。

图9是本发明防旋转装置中的玻璃钢板的最大应力分布图。

图10是本发明防旋转装置中的玻璃钢板的最大剪应力分布图。

附图中

1、外罐体                   2、内罐体                   3、鞍座

4、防旋转装置               5、夹层支撑管件

41、外加强环                42、内加强环                43、玻璃钢板

44、内容器限位柱            45、定位环                  46、限位管顶盖

47、外容器限位管

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。

如图1所示，本实施例公开了一种提高液氢储罐防旋转转置有限元分析精度的方法，利用了ANSYS有限元分析软件，具体包括以下步骤：

步骤一，在ANSYS软件中创建静力学分析模块，建立液氢储罐的三维模型，如图2所示，包括外罐体1、内罐体2、鞍座3、防旋转装置4、夹层支撑管件5等部件，并针对储罐模型进行结构静力分析，得到主模型的应力和应变结果，具体包括以下子步骤：

S11：在静力学分析模块中构建液氢储罐的三维模型，采用部分结构抽中间面方法，将实体模型装换为面模型，抽取零件的中间面，以提高计算机的运算效率，并定义各零部件的材料类型，主要包括各类材料的弹性模量和泊松比，在本实施例中，各零部件的材料类型如下表1所示：

表1卧式液氢储罐材料参数

S12：进行有限元网格划分，并定义各零件之间的接触关系，将它们装配在一起，具体的，本实施例中的接触关系主要包括：支腿与内容器之间的接触，支腿与外容器之间的接触，支腿与鞍座之间的接触，鞍座与外容器之间的接触，防旋转装置与内容器之间的接触，防旋转转置与外容器之间的接触。其中，实体与实体之间采取绑定接触，壳体与壳体之间采取绑定接触，实体与壳体之间采取MPC绑定接触。

S13：针对上述处理好的液氢储罐模型施加荷载，具体包括液氢储罐模型整体施加重力G，在鞍座3底面施加固定载荷，对内外容器施加0.1MPa压力P，以及定义液氢储罐受到前进方向8g冲击加速度F。

S14：利用有限元分析算法(FEM)，根据液氢储罐的三维模型及其载荷约束条件，求解液氢储罐主模型的应力和应变结果，计算结果如图3和图4所示。根据图3，液氢储罐的最大位移在封头处；根据图4，液氢储罐的最大应力在防旋转装置处。

步骤二，在上述结构静力分析的基础上，在ANSYS软件中创建子模型分析模块，切割防旋转装置的子模型，并针对防旋转装置进行有限元分析，得到其应力分布结果。

其中，防旋转装置4的结构如图5所示，包括外加强环41、内加强环42、玻璃钢板43、内罐体限位柱44、定位环45、限位管顶盖46、外罐体限位管47。外容器限位管47焊接在外罐体1顶部的通孔内，外容器限位管47上开口焊接有限位管顶盖46。外容器限位管47下开口焊接有玻璃钢板43，玻璃钢板43中间设置有通孔，通孔内焊接有定位环45和内罐体限位柱44，内罐体限位柱44可以在定位环45内上下滑动，内罐体限位柱44下端与内罐体2焊接连接。内加强环42和外加强环41依次设置在外容器限位管47的外圆周且通过焊接连接，内加强环42和外加强环41同时也焊接在外罐体1的内壁上。

基于上述防旋转装置4的结构示意图，构建的防旋转装置的有限元模型如图6所示。

具体地，步骤二包括以下子步骤：

S21：基于已获得的液氢储罐主模型的材料分布和应力分析结果，在子模型分析模块中利用slice切割方法建立液氢储罐防旋转装置的局部分析结构，需要注意的是，在切割防旋转装置子模型时，需要远离应力梯度大的区域，否则会影响计算结果的准确性。

S22：重新定义防旋转装置子模型各类零部件之间的接触，其中，由于防旋转装置的大部分零部件采用焊接方式连接，所以定义其连接方式为共节点方式，但特别的是，内容器限位柱与定位环之间由于有相互切向位移，所以采用No Separation接触方式。在本实施例中，各接触部位的接触算法采用多点约束法(MPC)。

S23：对处理好的防旋转装置子模型进行网格划分，划分原则以遵循六面体单元为主，网格划分方法采用映射面(Mapped Face Meshing)，单元尺寸设置为15mm，对关键分析区域采用Refinement局部单元细化，具体包括内容器限位柱与定位环接触部位、玻璃钢与定位环接触部位。

S24:根据液氢储罐主模型静力学分析模块的计算结果，导入切割边界的边界约束条件，并载入荷载，导入切割边界处的位移结果数据将作为防旋转装置子模型的位移约束。

S25：利用有限元分析算法，根据防旋转装置的三维模型及其载荷约束条件，求解防旋转装置的总体等效应力和总体变形、玻璃钢最大主应力和最大剪应力，结果如图7-10所示。

将本实施例的分析结果与常规方法的结果进行对比，对比结果如表2所示。

表2对比分析结果

根据分析结果可知，两种方法结果都比较接近，由于变形结果不存在应力计算中的应力集中或应力奇异问题，因此，采用本方法计算的结果更接近于真实值。通过采用常规方法计算局部应力，应力结果常常会出现应力集中而失真，采用本实施例中的分析方法，可以更集中精力建设更精细、更真实的模型结构尺寸，以期消除因建模失真而对结果准确性的影响，获得更真实的应力解。

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 (1)

1.一种提高液氢储罐防旋转装置有限元分析精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，创建静力学分析模块，建立液氢储罐的三维模型，包括外罐体、内罐体、鞍座、防旋转装置、夹层支撑管件，并针对储罐模型进行结构静力分析，得到主模型的应力和应变结果，具体包括以下子步骤：

S11：在静力学分析模块中构建液氢储罐的三维模型，采用部分结构抽中间面方法提高计算机的运算效率，并定义各零部件的材料类型，主要包括各类材料的弹性模量和泊松比；

S12：进行有限元网格划分，并定义各零件之间的接触关系将它们装配在一起；接触关系主要包括：支腿与内容器之间的接触，支腿与外容器之间的接触，支腿与鞍座之间的接触，鞍座与外容器之间的接触，防旋转装置与内容器之间的接触，防旋转转置与外容器之间的接触；其中，实体与实体之间采取绑定接触，壳体与壳体之间采取绑定接触，实体与壳体之间采取多点约束法(MPC)绑定接触；

S13：针对上述处理好的液氢储罐模型施加荷载，具体包括液氢储罐模型整体施加重力G，在鞍座底面施加固定载荷，对内外容器施加0.1MPa压力P，以及定义液氢储罐受到前进方向8g冲击加速度F；

S14：利用有限元分析算法(FEM)，根据液氢储罐的三维模型及其载荷约束条件，求解液氢储罐主模型的应力和应变结果；

步骤二，在上述结构静力分析的基础上，创建子模型分析模块，切割防旋转装置的子模型，防旋转装置包括外加强环、内加强环、玻璃钢板、内罐体限位柱、定位环、限位管顶盖、外罐体限位管，外容器限位管焊接在外罐体顶部的通孔内，外容器限位管上开口焊接有限位管顶盖，外容器限位管下开口焊接有玻璃钢板，玻璃钢板中间设置有通孔，通孔内焊接有定位环和内罐体限位柱，内罐体限位柱可以在定位环内上下滑动，内罐体限位柱下端与内罐体焊接连接；内加强环和外加强环依次设置在外容器限位管的外圆周且通过焊接连接，内加强环和外加强环同时也焊接在外罐体的内壁上；并针对防旋转装置进行有限元分析，得到其应力分布结果，具体包括以下子步骤：

S21：基于已获得的液氢储罐主模型的材料分布和应力分析结果，在子模型分析模块中利用slice切割方法建立液氢储罐防旋转装置的局部分析结构；切割防旋转装置子模型时，需要远离应力梯度大的区域，否则会影响计算结果的准确性；

S22：重新定义防旋转装置子模型各类零部件之间的接触，定义内容器限位柱与定位环之间采用No Separation接触方式，防旋转装置子模型其余各类零部件连接方式为共节点方式，各接触部位的接触算法采用多点约束法(MPC)；

S23：对处理好的防旋转装置子模型进行网格划分；对关键分析区域采用Refinement局部单元细化，具体包括内容器限位柱与定位环接触部位、玻璃钢与定位环接触部位；

S24：根据液氢储罐主模型静力学分析模块的计算结果，导入切割边界的边界约束条件，并载入荷载，导入切割边界处的位移结果数据将作为防旋转装置子模型的位移约束；

S25：利用有限元分析算法，根据防旋转装置的三维模型及其载荷约束条件，求解防旋转装置的总体等效应力和总体变形、玻璃钢最大主应力和最大剪应力。

Images