长管拖车天然气瓶疲劳寿命分析

于新奇 宋伯龙 张朝 刘庆刚

摘要：长管拖车天然气瓶在内压变化及道路运输造成的惯性载荷作用下，存在疲劳失效风险。为了明确在交变载荷作用下气瓶的安全状态，以目前广泛采用的长管拖车天然气瓶为模型，针对内压和惯性载荷作用下的长管拖车气瓶进行了疲劳分析。采用ANSYS Workbench进行模拟，得到了不同载荷条件下气瓶的疲劳寿命分布情况。分析结果表明，在内压作用下，气瓶处于有限疲劳寿命状态，但能够满足要求；当惯性载荷超过一定数值时，长管拖车气瓶处于有限寿命状态，不满足强度要求，因此要控制其受到的惯性载荷。

關键词：疲劳；长管拖车；天然气瓶；疲劳寿命；有限元分析

中图分类号：TE834 文献标志码：A

Analysis of fatigue life for tube trailer cylinders

YU Xinqi， SONG Bolong， ZHANG Zhao， LIU Qinggang

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：Risk of fatigue failure exists in the tube trailer cylinders under the condition of internal pressure variation and inertial load caused through road transport. In order to estimate the safety state of the cylinders under the action of alternating load， the model of certain geometry sizes is built based on the widely used tube trailer cylinders. The fatigue analysis of tube trailer gas cylinders is made aiming at the action of the internal pressure and the inertial load. The fatigue life distribution of cylinders is obtained under the condition of different loads through the numerical simulation by ANSYS Workbench. The analysis results show that under internal pressure， gas cylinders have limited fatigue life， but can satisfy the requirements； when the inertial load exceeds a certain value， natural gas cylinders of tube trailer is under finite life state， which does not meet the requirements of strength， therefore the inertial load should be controlled.

Keywords：fatigue； tube trailer； natural gas cylinder； fatigue life； finite element analysis

收稿日期：2015-03-27；修回日期：2015-04-16；责任编辑：冯民

作者简介：于新奇（1963—），男，河北藁城人，教授，博士，主要从事过程装备及其密封方面的教学与研究。

E-mail：yxqyxq0016@163.com

于新奇，宋伯龙，张朝，等.长管拖车天然气瓶疲劳寿命分析[J].河北科技大学学报，2015，36（4）：407-412.

YU Xinqi， SONG Bolong， ZHANG Zhao， et al.Analysis of fatigue life for tube trailer cylinders[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（4）：407-412.随着世界能源消耗的急剧增加和环境问题的日益严峻，天然气在总能源消耗中所占的比例越来越大[1]。天然气长距离运输以管道为主，但在短距离运输中，铺设管道投资巨大，更适合采用车辆运输[2-3]。长管拖车是一种方便、快捷的短距离天然气运输方式，得到了广泛的应用。

长管拖车在中国广泛应用的同时暴露出越来越多的问题。李伟等[4]对中国长管拖车的应用现状及问题进行了分析；张洪[5]指出在长管拖车运行过程中各种动载荷对长管拖车的安全具有显著的影响；杨利芬等[6]对大容积无缝气瓶在承受加载、卸载过程循环应力条件下的疲劳寿命进行了实验研究。长管拖车气瓶在其运行寿命范围内会反复充气和放气，其内部压力会发生较大范围的变化，因此存在低周疲劳的风险；另外，在长管拖车天然气瓶的结构不连续处，由于存在应力集中，可能造成小范围屈服，在运输过程中造成的交变载荷的作用下这些区域可能产生高周疲劳失效。本文针对长管拖车气瓶可能产生的疲劳失效问题，开展长管拖车天然气瓶在交变载荷作用下的损伤和疲劳寿命研究。

1长管拖车天然气瓶模型

目前中国最常用的长管拖车气瓶固定方式为集装箱式[7]，每一个气瓶单独固定在集装箱框架上，各气瓶之间没有相互约束作用。因此在对气瓶进行分析时，只需要单独对1只气瓶进行分析即可。本文采用的模型为中国某企业生产的长管拖车气瓶的实际尺寸（如图1所示），采用的材料为4130X，材料机械性能见表1。4130X是中国长管拖车气瓶主要制造材料，应用广泛[8]。

河北科技大学学报2015年第4期于新奇，等：长管拖车天然气瓶疲劳寿命分析图1气瓶模型及几何尺寸

Fig.1Model of a cylinder and its geometric dimensions

表1气瓶材料机械性能

Tab.1Performance of the material of the cylinder

项目弹性模量/MPa泊松比屈服强度/MPa抗拉强度/MPa密度/（kg·m-3）参数2.06×1050.36577667 850

图2高压天然气瓶模型

Fig.2Model of a high-pressure natural gas cylinder

按照图1采用CAD软件建立三维模型并导入到ANSYS Workbench中。考虑高压天然气瓶两端外螺纹与法兰连接[9]，因此在长管拖车两端外螺纹处建立附加法兰模型，又由于法兰模型对于气瓶只起到约束作用，因此将法兰简化为2个厚壁、中心开孔的圆板，如图2所示。

采用扫略（Sweep）的方式对图2所示模型划分网格，如图3所示。有针对性的对气瓶两端缩口处及外螺纹处等由于曲率变化存在边缘应力、应力梯度较大的位置采用较小的网格尺寸[10]，细化的网格如图4所示。根据上述原则进行网格划分，共划分有限元网格（Element） 19 816个，节点（Node）103 680个。

图3气瓶有限元网格

Fig.3Finite element mesh of a cylinder

图4收口及外螺纹处有限元网格

Fig.4Finite element mesh at the area of

convergent and external thread

2材料4130X疲劳性能曲线数据

材料的疲劳性能曲线需要按照JB 4732—1995设计[11]。根据JB 4732—1995，考虑到材料的实际抗拉强度和弹性模量，通过插值公式（1）和公式（2）得出材料4130X的疲劳寿命曲线数据见表2。S*a=S0a+σ*b-σ0bσ1b-σ0b（S1a-S0a）。（1）式中：S*a为长管拖车天然气瓶材料许用应力强度幅值；S0a为抗拉极限≤552 MPa材料的许用应力强度幅值；S1a为抗拉强度为793～896 MPa材料的许用应力强度幅值；σ*b为长管拖车天然气瓶材料抗拉强度；σ0b为抗拉极限≤552 MPa材料的抗拉强度，σ0b取552 MPa；σ1b为抗拉强度为793～896 MPa材料的抗拉强度，σ1b取896 MPa。S*′a=S*a·E1E0。（2）式中：S*′a为折算后的许用应力强度幅值，MPa；S*a为未折算的应力强度幅值，MPa；E0为标准中疲劳曲线适用的弹性模量，E0取2.1×105 MPa；E1为材料4130X的弹性模量，E1取2.06×105 MPa。

表2材料4130X疲劳曲线数据

Tab.2Fatigue curve data of material 4130X

循环数许用应力幅值/MPa1×1013 250.710 02×1012 403.716 05×1011 671.081 01×1021 260.746 02×102964.424 55×102689.461 2循环数许用应力幅值/MPa1×103540.356 42×103424.666 85×103328.967 01×104282.029 51.2×104291.342 92×104230.672 1循环数许用应力幅值/MPa5×104180.991 41×105160.391 42×105143.561 25×105127.270 01×106116.168 7

对于表2中未涉及的循环数，根据JB 4732—1995规定，可以按照式（3）进行插值。NNi=NjNi[lg（Si/S）/lg（Si/Sj）]。（3）式中：N为需要插值的循环数；S为循环数N对应的许用疲劳应力幅值，MPa；Ni，Nj为与N相邻最接近的循环数；Si，Sj为与Ni，Nj对应的许用循环数，Si>S>Sj。

将表2中数据以及按照式（3）插值所得數据，按要求输入到ANSYS软件的材料性能数据库中，以用于长管拖车气瓶的疲劳分析。

3长管拖车天然气瓶疲劳分析

长管拖车天然气瓶的疲劳载荷主要来自于2个方面，一方面在于充气过程中压力的升降，压力的变化范围为2～20 MPa；另一个疲劳载荷是道路运输过程中颠簸造成的惯性载荷。在2组疲劳载荷中，由内压引起的疲劳载荷变化范围恒定，在整个长管拖车天然气瓶的寿命周期内循环次数较少，但由于载荷幅值很大，可能造成低周应变疲劳，需要按照有限疲劳寿命设计。而道路颠簸造成的惯性载荷在寿命周期内加载次数很大，必须按照无限寿命设计。在疲劳设计中，无限寿命设计要求结构所承受的载荷幅值低于疲劳极限，在实验中一般承受循环数超过106则认为具有无限疲劳寿命。

3.1内压作用下长管拖车的有限疲劳寿命设计

疲劳分析是在静载荷分析的基础上进行的，静强度分析可以得到不同载荷幅值条件下结构的应力分布状况。首先对模型进行内压作用下的长管拖车气瓶静强度分析，然后针对静强度分析的结果进行疲劳分析。静强度分析中，在两端法兰盘外表面施加固定约束。根据JB 4732—1995规定，材料模型采用线弹性模型；采用Mises应力进行疲劳分析[12]。疲劳分析中涉及到的参数主要包括应力比、加载方式以及平均应力的影响等[13]。根据实际工况，本文中选取应力比为0.1，加载方式为正弦加载，同时使用Goodman的平均应力修正方法[14]。采用上述设置进行长管拖车天然气瓶的疲劳分析，结果如图5所示。

图5内压作用下长管拖车气瓶疲劳寿命分布

Fig.5Fatigue life distribution of a tube trailer cylinder under internal pressure

由图5可知，长管拖车天然气瓶的疲劳寿命最高为106次，位于两端收口的封头处，106次表示无限疲劳寿命；疲劳寿命最低处位于两端开外螺纹处，寿命为19 847次，虽然不满足无限疲劳寿命条件，但对于长管拖车而言，这一寿命也满足工作要求。为了进一步明确收口处的疲劳寿命分布情况，将这一位置疲劳寿命分布图放大如图6所示。由图6可知，收口处由于存在应力集中，疲劳寿命明显低于其他部位，处在1.98×104到1.75×105次之间。

气瓶内外表面的疲劳寿命分布曲线如图7所示。可知疲劳寿命较低的部位仅存在于气瓶收口外螺纹处，收口封头处的疲劳寿命达到了无限寿命，而整个气瓶瓶身部位内表面疲劳寿命明显低于外表面。

根据分析，内压作用下，除两端封头外，气瓶大部分部位均不满足无限疲劳寿命的标准，但大部分部位疲劳寿命超过20 000次，能够满足正常工作要求。

图6收口处疲劳寿命分布

Fig.6Fatigue life distribution at the convergent place

图7长管拖车气瓶内、外表面疲劳寿命分布

Fig.7Fatigue life distribution of a tube trailer

cylinder on inner and outer face

3.2惯性载荷作用下长管拖车的有限疲劳寿命设计

由于道路颠簸，使得惯性载荷发生频率较高，因此必须采用无限寿命设计，即保证气瓶任何部位的疲劳寿命都达到106次，否则就存在发生疲劳失效的风险。为了明确惯性载荷的影响，采用垂直于气瓶轴向方向的加速度作为惯性载荷进行分析，加速度的最大数值设定为ag=10～30 m/s2[15]。根据天然气瓶的承载情况，由于重力的存在，惯性载荷不会低于重力加速度g，因此疲劳分析中的惯性载荷变化范围为g～ag。针对不同ag的疲劳分析结果见表3。

惯性载荷分别为18，20和30 m/s2时长管拖车天然气瓶的疲劳寿命分布如图8所示。

根据表3和图8可知，当加速度为10 m/s2时，天然气瓶的疲劳寿命为无限寿命，不会发生疲劳失效；当加速度超过18 m/s2时，天然气瓶的疲劳寿命逐渐由无限寿命向有限寿命过渡；当加速度超过20 m/s2时，天然气瓶进入有限寿命阶段，气瓶在道路颠簸载荷的作用下会发生疲劳失效；当加速度进一步增加时，随着加速度的增加，天然气瓶的疲劳寿命迅速降低，当加速度达到30 m/s2时气瓶的疲劳寿命仅为3 300多次，无法满足安全运行的要求。

表3惯性载荷下天然气瓶疲劳寿命分布

Tab.3Fatigue life distribution of a tube trailer cylinder under inertial load

惯性载荷ag/（m·s-2）最大疲劳寿命/次最小疲劳寿命/次有限寿命/无限寿命10106106无限寿命12106106无限寿命14106106无限寿命16106106无限寿命18106106无限寿命201061.538 0×105有限寿命221065.074 6×104有限寿命241062.130 8×104有限寿命261061.150 9×103有限寿命281066.122 0×103有限寿命301063.355 1×103有限寿命

图8惯性载荷作用下天然气瓶疲劳寿命分布

Fig.8Fatigue life distribution of a tube trailer cylinder under inertial load

4结论

1）根据长管拖车天然气瓶的实际工作状况，设定内压变化幅度为2～20 MPa，并据此进行疲劳寿命的分析。结果表明，天然气瓶的最低疲劳寿命为19 847次，位于瓶口与法兰连接的应力集中部位。这一疲劳寿命虽然不满足无限寿命条件，但能够满足实际生产的要求。

2）设定垂直于軸向的最大加速度为10～30 m/s2，进行惯性载荷作用下的疲劳寿命分析。结果表明，在加速度小于18 m/s2时，天然气瓶满足无限疲劳寿命条件；当加速度大于20 m/s2时，天然气瓶进入有限疲劳寿命阶段，且随着加速度的增加疲劳寿命逐渐降低。因此在道路运输过程中要尽量降低运行速度，防止过大的垂直向加速度造成疲劳破坏。

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