CN108345745B - 一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，能够准确真实反应液氢储罐预应力的分布情况，对液氢储罐在低温充满液氢的状态下的湿模态进行分析，可以对低温液氢储罐结构进行有效的优化，保证了液氢储罐的使用安全。

Description

一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法

技术领域

本发明涉及一种液氢储罐低温预应力模态分析方法，尤其涉及一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法。

背景技术

模态分析是研究结构动力特性一种方法，一般应用在工程振动领域。其中，模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

流固耦合是流体力学与固体力学交叉而成的一门独立的力学分支，它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场影响.流固耦合仿真技术早期主要用于航空航天领域，随着技术的发展，应用范围已经扩展到石化、机械和能源等工业领域。

根据结构所处的状态，模态又分为两种情况：干模态和湿模态。一般进行的模态分析都是在空气中进行的，由于空气密度很小，对结算结果的影响就很小，可以认为是在真空条件下进行的模态分析，这种模态分析称为干模态。但是对于受到液体作用的结构，比如浸在水中的结构或者盛满液体的容器，由于液体的密度要大得多，对于结构的影响也要大很多，这种考虑了液固耦合作用的模态称为湿模态。

通常对于中小型液氢储罐的模态分析仅限于干模态分析，但是储罐在实际工作中，大部分情况是处于装满介质的状态，如果直接采用干模态分析方法，那么得到的结果和实际情况并不相符合，湿模态才是其结构特性的真实表征。

目前对于液氢储罐的模态分析仅限于空罐状态下，但是事实上罐内液体对于储罐的模态是有很大影响的，而且还未有人研究液氢储罐充液时预应力湿模态，液氢储罐的预应力是设计时候重点需要考虑的因素。本发明采用ANSYS Workbench ACT模块，对装满低温液氢的储罐进行预应力湿模态分析，得到结构在低温预应力状态下的湿模态，通过研究结构的固有频率和阵型，得到准确和真实的数据，解决现有技术的不足，可以对结构进行有效的优化。

发明内容

本发明的一个目的在于解决上述技术的不足而提供一种能够准确真实反应储罐预应力的分布情况的基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，对液氢储罐在低温充满液氢的状态下的湿模态进行分析，可以对低温液氢储罐结构进行有效的优化。

本发明的另一个目的在于提供一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，根据模拟结果可以对模型构件进行优化设计，保证了液氢储罐的使用安全。

为了达到上述目的，本发明所设计的一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，该计算方法为：

(1)对液氢储罐及其内部的液氢建立一个三维模型，其根据液氢储罐的二维CAD图，采用三维CAD软件建立所述液氢储罐三维模型并采用壳单元(Shell)来模拟，对所述液氢储罐的罐体结构抽取中面，其中所述液氢采用声学单元(Fluid)实体建模；

(2)划分网格，保持所述罐体结构和所述液氢这两种结构在交界面附近的单元尺寸一致；

(3)设置连接关系，其中所述罐体结构的所有零件采用共节点方式(Form NewPart)，所述罐体结构与所述液氢的交界面采用绑定接触(Bonded Contact)；

(4)温度预应力状态的湿模态分析，首先是稳态热分析(Steady-State Thermal)，得到所述罐体结构在低温-253℃下的温度分布；然后是静态分析(Static Structural)，得到-253℃下所述罐体结构的冷缩变形；最后是预应力的湿模态分析(Modal)，同时考虑流固耦合，得到所述罐体结构在预应力下的湿模态。

作为优选，一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，其特征在于，该湿模态分析详细步骤包括以下步骤：

步骤一，建立几何模型，根据液氢储罐二维CAD图纸，采用三维CAD软件，建立所述液氢储罐的三维模型，并在内罐内部通过布尔运算的方式建立液氢的三维模型，采用壳单元(Shell)来模拟，对所述液氢储罐结构抽取中面，其中所述液氢采用声学单元(Fluid)实体建模；所述液氢的体积按照储罐的额定充满率(90％)来计算；

步骤二，三维模型简化，把所述三维模型导入到仿真软件的前处理模块中,并且删掉对分析结果影响很小的螺栓、小凸台等小零件，并删掉所述三维模型中的倒角。由于储罐的结构长厚比特别大，是典型的薄壳结构，所以要对简化后的所述三维模型抽取中面，

值得注意的是，此处只是抽取所述液氢储罐结构的中面，所述液氢部分仍然采用实体模型，把抽取中面后的所有面模型放入同一个组件中(Form New Part)，采用共节点的方式连接，所述液氢实体模型是单独的Part；

步骤三，定义材料属性，如下表所示；

零件名称	材料牌号	弹性模量MPa	泊松比	密度kg/m<sup>3</sup>	热膨胀系数
						筒体	S31603	192000	0.3	7800	1.2e-5
支腿	Q345	199250	0.3	7800	1.2e-5
						液氢				70

步骤四，定义实体模型和面模型的连接关系，所述实体模型和所述面模型相连的部分(即储罐结构和液氢)采用绑定接触(Bonded Contact)，由于是不同类型单元之间的接触，所以接触法则采用多点约束接触(MPC，Multiple Points Contact)；

步骤五，网格划分，所述液氢储罐采用壳单元(Shell)划分，所述液氢采用实体单元(Solid)划分，所述实体单元和所述面单元交界处的网格尺寸须尽量保持一致，使得所述液氢的压力可以准确的传递到结构上；

步骤六，温度分布计算，将所述实体模型和面模型导入到Steady State Thermal模块，设置边界条件并求解结构的温度分布：液氢部分温度为-253℃，环境温度为40℃；

步骤七，温度应力计算，将温度分布作为初始条件施加到所述液氢储罐的结构上，方法是新建一个Static Structural分析，并把Steady State Thermal的分析结果作为Static Structural的初始条件，相当于把初始温度分布映射到所述液氢储罐结构上，然后设置以下边界条件并求解温度应力：四个支腿螺栓孔竖直方向固定，其他方向自由；罐顶部防旋转孔固定前后方向和左右方向；罐底部防旋转孔固定左右方向；

步骤八，预应力模态计算，采用流固耦合的方法计算所述液氢储罐的预应力湿模态，方法是新建一个Modal分析，并把Static Structural的分析结果作为Modal的初始条件，相当于给所述液氢储罐结构施加一个初始的预应力，同时更新所述液氢储罐结构的刚度，然后把所述液氢部分设置为Acoustics Body，把所述液氢和所述液氢储罐的交界面设置为FSI Interface，相当于在模态计算中考虑液体对结构的压力，最后求解其湿模态；

步骤九，提取结果并对比对，计算完成后，提取各阶模态频率和对应的阵型，通过与车身和发动机的激励载荷的频率对比，来确定所述液氢储罐的模态是否与激励载荷的频率重合，进而引起破坏，如不满足要求，则修改优化所述液氢储罐模型，返回第一步，循环迭代直到满足设计要求为止。

本发明所得到的一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，在液氢储罐充满介质的情况下，湿模态的一阶频率要比干模态高约10％，随着频率的升高，湿模态的频率与干模态频率相比，差别越加明显，说明罐内液氢对于罐体的刚度起到了一定的作用。通过对液氢储罐湿模态的分析，可以得到储罐更加精确的模态频率与振型，避免由于忽略罐内介质而导致的频率不正确，可以使结构优化更加有针对性，为今后的优化工作提供了新思路和实用工具，因此适合于大范围的推广和使用。

附图说明

图1为本发明的技术路线图。

图2为本发明的液氢储罐和罐内液氢三维模型。

图3为本发明的液氢储罐和罐内液氢有限元模型。

图4为本发明的储罐温度分布云图。

图5为本发明的储罐温差变形分布云图。

图6为本发明的储罐模态频率及阵型图。

具体实施方式

下面将通过结合附图和实施例对本发明作进一步说明，以使任何所属领域的技术人员能够制造和使用本发明。在下面的描述中的实施例仅作为例子和修改物对该领域熟练的技术人员将是显而易见的。在下面的描述中定义的一般原理将适用于其它实施例，替代物，修改物，等效实施和应用中，而不脱离本发明的精神和范围。

如图1-6所示，本实施例描述的一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，其特征在于：

(1)对液氢储罐及其内部的液氢设计一个三维模型，其根据所述液氢储罐的二维CAD图，采用Solidworks软件建立所述液氢储罐三维模型并采用壳单元(Shell181)来模拟，对液氢储罐结构抽取中面，其中所述液氢采用声学单元(Fluid221)实体建模；

(2)划分网格，保持所述液氢储罐的罐体结构和所述液氢这两种结构在交界面附近的单元尺寸保持一致；

值得一提的是，液氢中部的网格可以放大一些，并不影响计算结果，还可以减少计算规模。

(3)设置连接关系，所述液氢储罐的罐体结构的所有零件采用共节点方式(FormNew Part)，所述罐体结构与所述液氢的交界面采用绑定接触(Bonded Contact)；

值得一提的是，如若结构与流体区域都用实体单元，也可以采用共节点的方式，但是此处是Shell单元和Solid单元连接，不能直接采用共节点的方式，所以此处采用接触的方式。

(4)温度预应力状态的湿模态分析，首先是稳态热分析(Steady-State Thermal)，得到所述罐体结构在低温-253℃下的温度分布，然后是静态分析(Static Structural)，得到-253℃下所述罐体结构的冷缩变形，最后是预应力的模态分析(Modal)，同时考虑流固耦合，得到所述罐体结构在预应力下的湿模态。

图1为本发明的技术路线图，一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，其特征在于：该模态分析详细步骤包括以下步骤：

步骤一，如图2所示建立几何模型，根据液氢储罐二维CAD图纸，采用Solidworks软件，建立液氢储罐的三维模型，并在内罐内部通过布尔运算的方式建立液氢三维模型，采用壳单元(Shell181)来模拟，对所述液氢储罐结构抽取中面，其中所述液氢采用声学单元(Fluid221)实体建模；所述液氢的体积按照所述液氢储罐的额定充满率(90％)来计算；

步骤二，三维模型简化，把步骤一中的所述三维模型导入到ANSYS Workbench的前处理模块Design Model,并且删掉对分析结果影响很小的螺栓、小凸台等小零件，并删掉模型中的倒角；

值得一提的是，由于储罐累的结构长厚比特别大，是典型的薄壳结构，所以要对简化后的模型抽取中面，值得注意的是，此处只是抽取液氢储罐结构的中面，液氢部分仍然采用实体模型。把抽取中面后的所有面模型放入同一个Part中(Form New Part)，采用共节点的方式连接。液氢实体模型是单独的Part。

步骤三，定义材料属性如下表所示：

零件名称	材料牌号	弹性模量MPa	泊松比	密度kg/m<sup>3</sup>	热膨胀系数
						筒体	S31603	192000	0.3	7800	1.2e-5
支腿	Q345	199250	0.3	7800	1.2e-5
						液氢				70

步骤四，定义实体模型和面模型的连接关系，所述实体模型和所述面模型相连的部分(即储罐结构和液氢)，采用绑定接触(Bonded Contact)，由于是不同类型单元之间的接触，所以接触法则采用多点约束接触(MPC，Multiple Points Contact)。

步骤五，如图3所示为本发明的液氢储罐和罐内液氢有限元模型，网格划分，所述液氢储罐采用壳单元(Shell)划分，所述液氢采用实体单元(Solid)划分；

值得一提的是，所述实体单元和所述面单元交界处的网格尺寸须尽量保持一致，使液体的压力可以准确的传递到结构上。

步骤六，如图4所示为本发明的储罐温度分布云图，采用ANSYS WorkbenchSteady-State Thermal模块计算温度分布，由于材料热胀冷缩的特性，而液氢的沸点又非常低(-253℃)，所以材料的冷缩在这里表现的特别明显，由于材料冷缩导致结构刚度的变化，对模态结果影响就很大，所以首先进行温度分析，得到结构的温度分布将模型导入到Steady State Thermal模块，设置以下边界条件并求解结构的温度分布：液氢部分温度为-253℃，环境温度为40℃。

步骤七，如图5所示为本发明的储罐温差变形分布云图，采用ANSYS WorkbenchStatic Structural模块计算温度应力，将温度分布作为初始条件施加到所述液氢储罐结构上，方法是新建一个Static Structural分析，并把Steady State Thermal模块下的Solution拖拽到Static Structural下的setup上，在import load栏下面分别导入罐体(Shell单元)和液氢(Solid单元)的温度分布，相当于把初始温度分布映射到所述液氢储罐结构上；流固耦合分析涉及单元变形，所以要把单元变形开关打开，然后设置以下边界条件并求解温度应力：四个支腿螺栓孔竖直方向固定，其他方向自由；罐顶部防旋转孔固定前后方向和左右方向；罐底部防旋转孔固定左右方向。

步骤八，采用ANSYS Workbench Modal模块计算预应力模态，把低温状态下的应力作为初始预应力施加到所述液氢储罐结构上，并跟新结构的刚度，并且采用ANSYS ACTAcoustics模块计算所述液氢储罐的预应力湿模态，方法是新建一个Modal分析，并把Static Structural模块下的Solution拖拽到Modal下的setup上，相当于给结构施加一个初始的预应力，同时更新结构的刚度，然后在ACT环境下，把所述液氢部分设置为AcousticsBody，密度70kg/m³，把所述液氢和所述液氢储罐的交界面设置为FSI Interface，相当于在模态计算中考虑液体对所述液氢储罐结构的压力，最后求解其湿模态。

步骤九，提取结果并对比，如图6为本发明的储罐模态频率及阵型图计算完成后，提取各阶模态频率和对应的阵型，通过与车身和发动机的激励载荷的频率对比，来确定液氢储罐的模态是否与激励载荷的频率重合，进而引起破坏，如不满足要求，则修改优化储罐模型，返回第一步，循环迭代直到满足设计要求为止。

值得一提的是，还可以做一次结构干模态分析，从与湿模态的结果对比分析可以看出，在所述液氢储罐充满介质的情况下，湿模态的一阶频率要比干模态高约10％，随着频率的升高，湿模态的频率与干模态频率相比，差别越加明显，说明罐内液氢对于罐体的刚度起到了一定的作用。

通过对所述液氢储罐湿模态的分析，可以得到储罐更加精确的模态频率与振型，避免由于忽略罐内介质而导致的频率不正确，可以使结构优化更加有针对性，为储罐的优化工作打下良好基础。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (1)

1.一种基于流固耦合的液氢储罐低温预应力湿模态分析方法，其特征在于：1)对液氢储罐及其内部的液氢建立一个三维模型，其根据所述液氢储罐的二维CAD图采用三维CAD软件建立所述液氢储罐三维模型并采用壳单元来模拟，对所述液氢储罐的罐体结构抽取中面，其中所述液氢采用声学单元实体建模；2)划分网格，保持所述罐体结构和所述液氢这两种结构在交界面附近的单元尺寸一致；3)设置连接关系，其中所述罐体结构的所有零件采用共节点方式，所述罐体结构与所述液氢的交界面采用绑定接触；4)温度预应力状态的湿模态分析，首先是稳态热分析 ，得到所述罐体结构在低温-253℃下的温度分布；然后是静态分析，得到-253℃下所述罐体结构的冷缩变形；最后是预应力的湿模态分析，同时考虑流固耦合，得到所述罐体结构在预应力下的湿模态；

该湿模态分析详细步骤包括以下步骤：

步骤一，建立几何模型，根据所述液氢储罐二维CAD图纸，建立所述液氢储罐的三维模型，并在所述液氢储罐内部通过布尔运算的方式建立所述液氢的三维模型，采用壳单元来模拟，对所述液氢储罐结构抽取中面，其中所述液氢采用声学单元实体建模；所述液氢的体积按照所述液氢储罐的额定充满率90％来计算；

步骤二，三维模型简化，把步骤一中的所述三维模型导入到仿真软件的前处理模块中,并且删掉对分析结果影响很小的螺栓、小凸台等小零件，并删掉所述三维模型中的倒角，由于储罐的结构长厚比特别大，是典型的薄壳结构，所以要对简化后的所述三维模型抽取中面；值得注意的是，此处只是抽取所述液氢储罐结构的中面，所述液氢部分仍然采用实体模型，把抽取中面后的所有面模型放入同一个组件中，采用共节点的方式连接，所述液氢实体模型是单独的Part；

步骤三，定义材料属性，

定义筒体的材料牌号为S31603，弹性模量为192000MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m³，膨胀系数为1.2e^-5；

定义支腿的材料牌号为Q345，弹性模量为199250MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m³，膨胀系数为1.2e^-5；

定义液氢的密度为70kg/m³；

步骤四，定义实体模型和面模型的连接关系，所述实体模型和所述面模型相连的部分采用绑定接触，由于是不同类型单元之间的接触，所以接触法则采用多点约束接触；

步骤五，网格划分，所述液氢储罐采用壳单元划分，所述液氢采用实体单元划分，所述实体单元和所述壳 单元交界处的网格尺寸保持一致，使得所述液氢的压力可以准确的传递到结构上；

步骤六，温度分布计算，将所述实体模型和面模型导入到Steady State Thermal模块，设置边界条件并求解结构的温度分布：液氢部分温度为-253℃，环境温度为40℃；

步骤七，温度应力计算，将所述温度分布作为初始条件施加到所述液氢储罐的结构上，方法是新建一个Static Structural分析，并把Steady State Thermal的分析结果作为Static Structural的初始条件，相当于把初始温度分布映射到所述液氢储罐的结构上，然后设置以下边界条件并求解温度应力：四个支腿螺栓孔竖直方向固定，其他方向自由；罐顶部防旋转孔固定前后方向和左右方向；罐底部防旋转孔固定左右方向；

步骤八，预应力模态计算，采用流固耦合的方法计算所述液氢储罐的预应力湿模态，方法是新建一个Modal分析，并把Static Structural的分析结果作为Modal分析的初始条件，相当于给所述液氢储罐结构施加一个初始的预应力，同时更新所述液氢储罐结构的刚度，然后把所述液氢部分设置为Acoustics Body，把所述液氢和所述液氢储罐的交界面设置为FSI Interface，相当于在模态计算中考虑液体对结构的压力，最后求解其湿模态；

步骤九，提取结果并对比对，计算完成后，提取各阶模态频率和对应的阵型，通过与车身和发动机的激励载荷的频率对比，来确定所述液氢储罐的模态是否与激励载荷的频率重合，进而引起破坏，如不满足要求，则修改优化所述液氢储罐模型，返回第一步，循环迭代直到满足设计要求为止。

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