CN111924047B - 一种船用气瓶组固定装置及其结构变形校核方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及船用高压气瓶调压设备领域的船用气瓶组固定装置及其结构变形校核方法，固定装置包含固定架，固定架包含上限位架、下限位架、底架、竖撑杆、斜撑杆、十字撑杆组和横撑杆；上限位架和下限位架分别分隔为多个上方框单元和下方框单元，下方框单元内固定有支撑板单元，上方框单元内固定有加紧板单元；气瓶的上、下瓶身处均设有夹具，夹具包含活动夹板和固定夹板；结构变形校核方法包含：对固定架和夹具进行有限元计算模型建模；施加夹具以及两种情况下固定架的载荷和边界条件；对夹具和固定架结构逐步加载求解；该固定装置及其结构变形校核方法保证整个固定装置节省占地空间，且能够满足摇摆角度和摇摆周期的环境要求。

Description

一种船用气瓶组固定装置及其结构变形校核方法

技术领域

本发明涉及船用高压气瓶调压设备领域，尤其是涉及一种船用气瓶组固定装置及其结构变形校核方法。

背景技术

高压氮气瓶的储气压力一般在25MPa左右，如果气瓶瓶身被破坏出现漏气现象，会造成极大的安全事故，因此，在使用时不仅要检查连接部位是否漏气，更重要的是要防止气瓶翻倒；常见的高压气瓶一般是底部放置在平面上，或者是利用卡箍卡住瓶身固定在架子上，来使其保持特定的安放姿态，对架子的结构要求较低，但是并不适合用来在船只上固定气瓶；由于船体在水面上晃动比较严重，因此，固定气瓶的架子要能够保证在摇摆角度±45°，摇摆周期3s～14s的环境下具备一定的强度和刚度，不会在长期实用过程中出现气瓶脱离架子而翻倒的现象，此外，由于船只的内部空间有限，高压气瓶的使用数量较多，如何在保证结构稳定便于拆装气瓶的同时节省占地空间，也是气瓶架体设计需要考虑的重点。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种船用气瓶组固定装置及其结构变形校核方法，保证整个固定装置节省占地空间，且能够满足摇摆角度和摇摆周期的环境要求。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种船用气瓶组固定装置，包含固定架，所述固定架包含从上到下依次对应水平设置，且均呈方形框架结构的上限位架、下限位架和底架，所述底架通过固定螺栓与外部船体固定连接；所述上限位架和下限位架对应的四角分别通过四根竖撑杆固定连接，所述竖撑杆的下端向下延伸并与底架对应边框固定连接，所述底架的框角与对应的竖撑杆杆身之间固定有斜撑杆，所述斜撑杆与底架的夹角为45～70度，所述上限位架和下限位架同侧的两根竖撑杆之间可拆卸固定有十字撑杆组，所述上限位架和下限位架同端的两根竖撑杆之间可拆卸固定有横撑杆；所述上限位架和下限位架分别由若干横杆和纵杆分隔为多个呈矩阵排列的上方框单元和下方框单元，所述上方框单元和对应的下方框单元之间设有竖直的气瓶，所述下方框单元内固定有用于支撑气瓶底部的支撑板单元，所述上方框单元内固定有用于压紧气瓶顶部的加紧板单元；所述气瓶的上、下瓶身处均设有夹具，所述夹具包含活动夹板以及与固定架可拆卸固定连接的固定夹板，所述固定夹板和活动夹板对应的内侧面中部均设有适配气瓶瓶身的圆弧面，所述固定夹板和活动夹板的外侧面均设有贯通至相应内侧面中部的紧定螺孔，所述紧定螺孔中配设有紧定螺钉，所述固定夹板和活动夹板对应的内侧面两端均延伸设有连接块，所述固定夹板和活动夹板相对应的两个连接块之间通过夹具螺栓可拆卸固定连接。

进一步，所述上限位架和下限位架同侧的两根竖撑杆之间加强固定有多个辅助竖撑和辅助横撑。

进一步，所述十字撑杆组主要有中央撑块和对称固定于中央撑块四角的四个辅助斜杆组成，且所述辅助斜杆与水平面的锐角夹角设为45～70度。

进一步，所述加紧板单元的板面中央设有穿孔，所述穿孔的直径小于气瓶瓶身的外径，大于气瓶瓶颈的外径。

进一步，所述固定架的一侧固定有用于安装气瓶控制箱的箱架，另一侧固定有挡板，所述固定架的底面固定有底板。

进一步，所述上限位架和底架分别与竖撑杆连接处均固定设有加强角板。

进一步，所述固定夹板和活动夹板相对的圆弧面贴附有防撞垫圈。

进一步，所述底架的两侧边框侧面对应设有叉车孔，所述竖撑杆的顶端面固定有吊钩。

一种船用气瓶组固定装置的结构变形校核方法，该结构变形校核方法是基于有限元计算软件的校核方法，包含如下步骤：S1、对固定架进行有限元计算模型建模；S2、施加两种情况下固定架的载荷和边界条件：第一种为叉车提升固定架，固定架处于水平位置；第二种是固定架倾斜45度角；S3、对固定架结构逐步加载求解；S4、对夹具进行有限元计算模型建模；S5、施加夹具的载荷和边界条件；S6、对夹具结构逐步加载求解。

进一步，所述S2步骤中，确定固定架本身结构的自重，重力加速度取10m/s^2；确定气瓶自重通过固定架联结结构对固定架的作用力，重力加速度取10m/s^2；模拟叉车提升固定架时，将叉车位置的节点进行位置约束；考虑45°偏摆角的影响，引入局部坐标系将模型进行45°偏摆；考虑动载的影响，设定动载系数为1.2。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明公开的船用气瓶组固定装置，通过主要有上限位架、下限位架和竖撑杆组成的方形框架结构，将形成气瓶组的多个气瓶间隔均匀排列固定，保证结构紧凑稳固，节约了占地空间；十字撑杆组和横撑杆的可拆卸设计，能够便于多个气瓶组在固定架中进行排列拆装；在单个气瓶的两端通过加紧板单元和支撑板单元对气瓶进行轴向定位，在气瓶的瓶身上下通过夹具对气瓶进行径向和轴向定位，保证气瓶在固定架上连接稳固，使得气瓶在使用过程中，不会出现松脱，滑落等安全性事故；底架和斜撑杆能够保证整个固定架的基础稳固，使得固定架更能够适应摇摆角度±45°及摇摆周期3s～14s的使用环境。

本发明公开的船用气瓶组固定装置的结构变形校核方法，能够采用数值计算方法-有限元计算方法对模拟高压气瓶固定架在最大载荷作用下，分别在水平位置和存在倾斜角45°两种情况下，对固定架结构变形情况(刚度)以及应力(强度)进行校核评估，并利用有限元分析对气瓶夹具螺栓的受力情况进行校核评估，进而确保该固定装置在摇摆角度±45°及摇摆周期3s～14s的使用环境中，具有满足要求的稳定性能。

附图说明

图1是本发明固定装置的结构示意图；

图2是本发明的正视结构示意图；

图3是所述固定架的结构示意图；

图4是所述夹具的结构示意图；

图5是固定架计算模型图；

图6是固定架划分单元后的计算模型图；

图7是固定架载荷及边界条件示意图；

图8是水平位置起升结构整体的变形图；

图9是水平位置起升型钢结构的变形图；

图10是倾斜角45°位置起升结构整体的变形图；

图11是倾斜角45°位置起升型钢结构的变形图；

图12是夹具整体结构变形等值云图；

图13是夹具等效应力分布云图；

图14是夹具结构变形等值云图；

图15是夹具螺栓轴向力计算结果图。

图中：1、固定架；101、十字撑杆组；102、横撑杆；103、上限位架；104、上方框单元；105、竖撑杆；106、斜撑杆；107、下方框单元；108、底架；109、下限位架；1010、辅助竖撑；1011、辅助横撑；1012、加强角板；1013、夹具撑杆；2、吊钩；3、加紧板单元；4、挡板；5、气瓶；6、夹具；601、活动夹板；602、固定夹板；603、紧定螺孔；604、连接块；7、支撑板单元；8、底板；9、箱架。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进，本发明并不局限于下面的实施例；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系，仅是与本申请的附图对应，为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位：

结合附图1-4所述的用于轴承清洁度检测的滤膜专用夹具，包含固定架1，固定架1整体为对称结构，固定架1包含从上到下依次对应水平设置，且均呈方形框架结构的上限位架103、下限位架109和底架108，底架108的长度为1.3～1.5倍的下限位架109长度，底架108通过固定螺栓与外部船体固定连接，固定螺栓需要在底架108两端对称设置多个，且底架108安装于船舱中心位置；上限位架103和下限位架109对应的四角分别通过四根竖撑杆105固定连接，竖撑杆105的下端向下延伸并与底架108对应边框固定连接，通过主要有上限位架103、下限位架109和竖撑杆105组成的方形框架结构，将形成气瓶组的多个气瓶间隔均匀排列固定，保证结构紧凑稳固，节约了占地空间；底架108的框角与对应的竖撑杆105杆身之间固定有斜撑杆106，斜撑杆106与底架108的夹角为45～70度，保证整个固定架1的基础稳固，使得固定架1更能够较好的适应摇摆角度±45°及摇摆周期3s～14s的使用环境；根据需要，上限位架103和下限位架109同侧的两根竖撑杆105之间加强固定有多个辅助竖撑1010和辅助横撑1011，根据多个气瓶5排列的长度来确定辅助竖撑1010和辅助横撑1011的设置数量，来加强固定架的结构，辅助竖撑1010的下端也需要向下延伸与底架108固定；根据需要，上限位架103和底架108分别与竖撑杆105连接处均固定设有加强角板1012，对固定架进一步加强；此外，底架108的两侧边框侧面对应设有叉车孔，竖撑杆105的顶端面固定有吊钩2，吊钩2用于起吊固定装置，叉车孔用于叉车移动固定装置；

上限位架103和下限位架109同侧的两根竖撑杆105之间可拆卸固定有十字撑杆组101，上限位架103和下限位架109同端的两根竖撑杆105之间可拆卸固定有横撑杆102，十字撑杆组和横撑杆不仅能够起到加强固定架的作用，而且能够便于多个气瓶组在固定架中进行排列拆装，十字撑杆组和横撑杆的长度根据气瓶的排列数量来定，十字撑杆组的两侧也能够固定在两辅助竖撑1010之间，两端固定在辅助横撑1011和下限位架109之间；此外，十字撑杆组101主要有中央撑块和对称固定于中央撑块四角的四个辅助斜杆组成，且所述辅助斜杆与水平面的锐角夹角设为45～70度，便于加工制作，也具有加强固定架，防摇摆的作用；如气瓶数量设有八个，分两排设置，能够通过拆卸横撑杆，将两端的四个气瓶从固定架两端安放在固定架中，通过拆卸十字撑杆组，将中间的四个气瓶从固定架两侧安放在固定架中；

上限位架103和下限位架109分别由若干横杆和纵杆分隔为多个呈矩阵排列的上方框单元104和下方框单元107，上方框单元104和对应的下方框单元107之间设有竖直的气瓶5，下方框单元107内固定有用于支撑气瓶5底部的支撑板单元7，支撑板单元7外沿与下方框单元107内边焊接固定，支撑板单元7与气瓶5底部之间设有缓冲垫，起到缓冲的作用；上方框单元104内固定有用于压紧气瓶5顶部的加紧板单元3，加紧板单元3外沿与上方框单元104内边焊接固定，根据需要，加紧板单元3的板面中央设有穿孔，穿孔的直径小于气瓶5瓶身的外径，大于气瓶5瓶颈的外径，在加紧气瓶5的同时，使得气瓶5能够有一定的安装活动空间；气瓶5的上、下瓶身处均设有夹具6，夹具6包含活动夹板601以及与固定架可拆卸固定连接的固定夹板602，根据需要，位于上限位架103两侧的两个辅助竖撑1010上端之间固定有夹具撑杆1013，相邻两气瓶5的固定夹板602背对背通过螺栓固定在夹具撑杆1013上；固定夹板602和活动夹板601对应的内侧面中部均设有适配气瓶5瓶身的圆弧面，根据需要，固定夹板602和活动夹板601相对的圆弧面贴附有防撞垫圈，用于缓冲气瓶5的撞击；固定夹板602和活动夹板601的外侧面均设有贯通至相应内侧面中部的紧定螺孔603，紧定螺孔603中配设有紧定螺钉，通过紧定螺钉能够顶紧气瓶5的瓶身，固定夹板602和活动夹板601对应的内侧面两端均延伸设有连接块604，固定夹板602和活动夹板601相对应的两个连接块604之间通过夹具螺栓可拆卸固定连接，夹具螺栓配设有防松动螺母，保证紧固稳定；通过在单个气瓶5的两端通过加紧板单元3和支撑板单元7对气瓶5进行轴向定位，在气瓶5的瓶身上下通过夹具6对气瓶5进行径向和轴向定位，保证气瓶5在固定架上连接稳固，使得气瓶5在使用过程中，不会出现松脱，滑落等安全性事故。

结合附图5-15所述的船用气瓶组固定装置的结构变形校核方法，在进行结构变形校核方法之前，可先得到多项计算数值：

加速度计算：

根据CCS《国内航行海船建造规范(2006)》第2篇第9章，横摇角加速度ar＝φm(6.28/TR)2rad/s2；

TR—横摇周期；

φm—最大横摇角；

取船舶的型深Dmax＝30m(固定装置安装于船舱甲板中心位置)；

取固定装置Dmin＝2m(固定装置安装于船舱舱底中心位置)；

最大横摇角：θ＝45°；

最小横摇周期，T＝3s；

得出：最大横向加速度amax＝(3.14/4)×(6.28/3)2×30＝103.2m/s2；最小横向加速度amin＝(3.14/4)×(6.28/3)2×2＝6.88m/s2；

夹具受力计算：

40L气瓶空瓶重量约80kg，充入25MPa氮气质量约为10.886kg，总重量按95kg计算，气瓶夹具受力Fmax＝mamax＝95×103.2＝9804N；

气瓶组固定装置受力计算：

固定架重量约500kg，夹具单个重量约7kg，支撑板单元和加紧板单元的单个重量约5kg，气源箱及箱架重量约50kg，8只充满25MPa氮气的40L气瓶重量约为95×8＝760kg；总重量约为760+500+7×16+5×16+50＝1502kg；

气瓶组固定装置受力Fmax＝mamax＝1502×103.2＝155006.4N；

选用M24固定螺栓，其有效面积S＝353mm2，得出固定螺栓承受最大强度为155006.4/353＝439.1N/mm2；

选用12.9级螺栓，由其所代表的公称抗拉强度为1200N/mm2，公称屈服强度为1200*0.9＝1080N/mm2得知，满足要求；

该结构变形校核方法是基于有限元计算软件的校核方法，包含如下步骤：

S1、对固定架1进行有限元计算模型建模；该固定架1的主体结构为型钢焊接或者螺栓固结的框架结构，以及与之联结的钢板结构，因此在建模时型材采用考虑弯曲变形的Timoshenko梁，在ANSYS经典环境中采用BEAMA188单元进行模拟，钢板采用板壳单元SHELL281单元进行模拟，为提高计算效率而又不失计算的准确性，与结构承载无关细节忽略承载，型材焊接和螺栓连接处假定为一体结构；高压气瓶5在计算模型中根据其在自身特点将其简化为中间位置的一个质量单元，并将其与固定架1固定处进行刚化连接；忽略固定架1叉车位置对此处结构的影响，设定框架结构梁单元的长度为40mm；

S2、施加两种情况下固定架的载荷和边界条件：第一种为叉车提升固定架1，固定架1处于水平位置；第二种是固定架1倾斜45度角；根据需要，在S2步骤中，确定固定架1本身结构的自重，重力加速度取10m/s^2；确定气瓶5自重通过固定架1联结结构对固定架1的作用力，重力加速度取10m/s^2；模拟叉车提升固定架1时，将叉车位置的节点进行位置约束；考虑45°偏摆角的影响，引入局部坐标系将模型进行45°偏摆；考虑动载的影响，设定动载系数为1.2；

S3、对固定架1结构逐步加载求解；第一水平位置分析结果：由计算结果可知，在水平位置用叉车提升固定架1，由于固定架1以及气瓶5的重量引起的结构变形最大为0.033mm，最大变形发生在夹具6联结处；型材结构在与夹具6联结处的变形最大值为0.032mm；结构的最大等效应力值为16.23MPa；第二倾斜角45°位置分析结果：由计算结果可知，在存在切斜角45°时，由于固定架1以及气瓶5的重量引起的结构变形最大为0.0464mm，最大变形发生在夹具6联结处；型材结构在与夹具6联结处的变形最大值为0.0461mm；结构的最大等效应力值为25.94MPa；

S4、对夹具6进行有限元计算模型建模；由圣维南定理将气瓶5夹具螺栓联结进行简化计算，在这里主要是计算高压气瓶5在夹具螺栓预紧之后，高压气瓶5受到高压气体(25MPa)作用下，夹具螺栓轴向载荷的大小；

S5、施加夹具6的载荷和边界条件；设定夹具6与固定架5联结位置为固定约束，设定气瓶5与夹具6为摩擦接触(假定初始接触)，气瓶5的内压为25MPa，夹具6采用M12夹具螺栓联结；

S6、对夹具6结构逐步加载求解；由分析结果可知：在气体压力的碰撞作用下，夹具螺栓轴向受载为20536N.，同时这是夹具6的最大等效应力值为428Mpa，需要说明的是，此轴向载荷同夹具螺栓的起始预紧有一定的关系，即它们之间存在一个叠加关系；

得出结论：固定架1在最大载荷作用下(同时考虑了动载系数的影响)在水平位置进行抬升时，最大变形仅为0.033mm，考虑跨度，其最大挠度仅为跨度的0.02％，因此刚度满足使用要求，固定架1的最大等效应力符合材料的使用要求；固定架1在最大载荷作用下(同时考虑了动载系数的影响)在存在切斜角45°，最大变形仅为0.046mm，考虑跨度，其最大挠度仅为跨度的0.025％，因此刚度满足使用要求，固定架1的最大等效应力符合材料的使用要求。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (9)

1.一种船用气瓶组固定装置，其特征在于：包含固定架(1)，所述固定架(1)包含从上到下依次对应水平设置，且均呈方形框架结构的上限位架(103)、下限位架(109)和底架(108)，所述底架(108)通过固定螺栓与外部船体固定连接；所述上限位架(103)和下限位架(109)对应的四角分别通过四根竖撑杆(105)固定连接，所述竖撑杆(105)的下端向下延伸并与底架(108)对应边框固定连接，所述底架(108)的框角与对应的竖撑杆(105)杆身之间固定有斜撑杆(106)，所述斜撑杆(106)与底架(108)的夹角为45～70度，所述上限位架(103)和下限位架(109)同侧的两根竖撑杆(105)之间可拆卸固定有十字撑杆组(101)，所述上限位架(103)和下限位架(109)同端的两根竖撑杆(105)之间可拆卸固定有横撑杆(102)；所述上限位架(103)和下限位架(109)分别由若干横杆和纵杆分隔为多个呈矩阵排列的上方框单元(104)和下方框单元(107)，所述上方框单元(104)和对应的下方框单元(107)之间设有竖直的气瓶(5)，所述下方框单元(107)内固定有用于支撑气瓶(5)底部的支撑板单元(7)，所述上方框单元(104)内固定有用于压紧气瓶(5)顶部的加紧板单元(3)；所述气瓶(5)的上、下瓶身处均设有夹具(6)，所述夹具(6)包含活动夹板(601)以及与固定架可拆卸固定连接的固定夹板(602)，所述固定夹板(602)和活动夹板(601)对应的内侧面中部均设有适配气瓶(5)瓶身的圆弧面，所述固定夹板(602)和活动夹板(601)的外侧面均设有贯通至相应内侧面中部的紧定螺孔(603)，所述紧定螺孔(603)中配设有紧定螺钉，所述固定夹板(602)和活动夹板(601)对应的内侧面两端均延伸设有连接块(604)，所述固定夹板(602)和活动夹板(601)相对应的两个连接块(604)之间通过夹具螺栓可拆卸固定连接。

2.根据权利要求1所述的船用气瓶组固定装置，其特征是：所述上限位架(103)和下限位架(109)同侧的两根竖撑杆(105)之间加强固定有多个辅助竖撑(1010)和辅助横撑(1011)。

3.根据权利要求1所述的船用气瓶组固定装置，其特征是：所述十字撑杆组(101)主要有中央撑块和对称固定于中央撑块四角的四个辅助斜杆组成，且所述辅助斜杆与水平面的锐角夹角设为45～70度。

4.根据权利要求1所述的船用气瓶组固定装置，其特征是：所述加紧板单元(3)的板面中央设有穿孔，所述穿孔的直径小于气瓶(5)瓶身的外径，大于气瓶(5)瓶颈的外径。

5.根据权利要求1所述的船用气瓶组固定装置，其特征是：所述固定架(1)的一侧固定有用于安装气瓶控制箱的箱架(9)，另一侧固定有挡板(4)，所述固定架(1)的底面固定有底板(8)。

6.根据权利要求1所述的船用气瓶组固定装置，其特征是：所述上限位架(103)和底架(108)分别与竖撑杆(105)连接处均固定设有加强角板(1012)。

7.根据权利要求1所述的船用气瓶组固定装置，其特征是：所述固定夹板(602)和活动夹板(601)相对的圆弧面贴附有防撞垫圈。

8.根据权利要求1所述的船用气瓶组固定装置，其特征是：所述底架(108)的两侧边框侧面对应设有叉车孔，所述竖撑杆(105)的顶端面固定有吊钩(2)。

9.一种如权利要求1所述船用气瓶组固定装置的结构变形校核方法，该结构变形校核方法是基于有限元计算软件的校核方法，其特征是：包含如下步骤：

S1、对固定架(1)进行有限元计算模型建模；

S2、施加两种情况下固定架的载荷和边界条件：第一种为叉车提升固定架(1)，固定架(1)处于水平位置；第二种是固定架(1)倾斜45度角；在此步骤中，确定固定架(1)本身结构的自重，重力加速度取10m/s^2；确定气瓶(5)自重通过固定架(1)联结结构对固定架(1)的作用力，重力加速度取10m/s^2；模拟叉车提升固定架(1)时，将叉车位置的节点进行位置约束；考虑45°偏摆角的影响，引入局部坐标系将模型进行45°偏摆；考虑动载的影响，设定动载系数为1.2；

S3、对固定架(1)结构逐步加载求解；

S4、对夹具(6)进行有限元计算模型建模；

S5、施加夹具(6)的载荷和边界条件；

S6、对夹具(6)结构逐步加载求解。

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