吳小芳，許志泉，王琪，閆東東，劉吉玲，周峰

基于響應(yīng)面的低溫移動(dòng)儲(chǔ)罐輕量化數(shù)值模擬

吳小芳1，許志泉1，王琪2，閆東東2，劉吉玲1，周峰1

（1. 張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 2156321；2. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

對(duì)某移動(dòng)壓力容器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，首先通過仿真模擬低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體模型在標(biāo)準(zhǔn)上沖工況承受的慣性力載荷進(jìn)行應(yīng)力分析，用分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。在此基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面進(jìn)行二次回歸擬合，得到以罐體零部件尺寸參數(shù)為自變量、線性化路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度和質(zhì)量最小為約束條件的響應(yīng)面擬合函數(shù)數(shù)學(xué)模型，使用遺傳算法進(jìn)行求解。結(jié)果表明：罐體質(zhì)量減少約259.57 kg，罐體內(nèi)封頭厚度減少了0.90 mm，內(nèi)容器角鋼圈長(zhǎng)邊寬、短邊寬減少了19.9 5 mm、10 mm，厚度減少了2 mm，且滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

低溫液體運(yùn)輸半掛車； 壓力容器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；遺傳算法

中國(guó)現(xiàn)已建立起規(guī)模成熟的工業(yè)氣體市場(chǎng)，工業(yè)氣體運(yùn)輸快速發(fā)展。LNG相較于傳統(tǒng)常規(guī)柴油燃料，綜合排放降低約 85%[1]。1 L的LNG液體可以轉(zhuǎn)化為625 L液化天然氣，液體LNG更便于運(yùn)送和貯藏，近年來我國(guó)的壓力容器總量一直處于上升階段，液化天然氣的價(jià)格和稀有程度限制了自身的運(yùn)輸成本、鐵路與集裝箱海運(yùn)時(shí)效性以及區(qū)域的限制、管路建設(shè)不經(jīng)濟(jì)，相較于公路低溫液體運(yùn)輸半掛車氣體運(yùn)輸更加靈活方便，更適用于小中型加氣站。研究低溫液體運(yùn)輸半掛車的輕量化、提高低溫LNG液體運(yùn)輸效率是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

輕質(zhì)材料和輕體結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)輕量化的兩個(gè)主要途徑，近10年來，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者在罐用材料選用玻璃鋼、鎂、鋁合金等替換不銹鋼[2-4]，應(yīng)變強(qiáng)化增加罐體材料的強(qiáng)度裕度，提高材料的許用應(yīng)力，壓力容器用奧氏體不銹鋼制造[5-7]。王一川等提出一種新型翅片夾芯結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圈代替原角鋼圈[8-9]，王曉東從八點(diǎn)支撐的角度對(duì)該結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化[10]，湯榮躍編寫了一種輕量化設(shè)計(jì)軟件來優(yōu)化空氣儲(chǔ) 罐[11]。迄今，壓力容器的輕型化仍是研究熱點(diǎn)之 一[12-14]，有研究表明，汽車減重10%，油耗會(huì)降低6%～8%，廢氣排放減少50%～60%。

用已有罐體計(jì)算書設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建罐體三維模型，用ANSYS商業(yè)有限元軟件進(jìn)行線性化應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)證，結(jié)合響應(yīng)面方法擬合出罐體零部件參數(shù)與待優(yōu)化零件質(zhì)量和應(yīng)力強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系式，通過遺傳算法進(jìn)行迭代求解，尋找響應(yīng)面擬合函數(shù)數(shù)學(xué)模型全局最優(yōu)取值和各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最優(yōu)匹配。

1 罐體靜力學(xué)分析

1.1 罐體有限元模型

設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體設(shè)計(jì)計(jì)算書已給出，如表1所示，此車型充裝低溫液化天然氣液體介質(zhì)，罐體外形總長(zhǎng)度12 704 mm，額定載質(zhì)量24 300 kg，該低溫液體貯罐為臥式容器，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外容器等組成[15]。

表1 罐體主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行罐體參數(shù)化建模，內(nèi)罐和外殼夾層中間用前后八點(diǎn)支撐Z3848玻璃鋼管嵌套絕熱支撐棒進(jìn)行內(nèi)外罐體之間連接。夾層采用高真空多層絕熱技術(shù)槽車制造工藝，保證內(nèi)外筒體絕對(duì)隔熱系數(shù)。

1.2 靜力學(xué)分析

內(nèi)容器殼體內(nèi)壁總體施加靜壓力（設(shè)計(jì)壓力0.65 MPa），內(nèi)容器與外殼夾層之間施加-0.1 MPa真空壓力，罐體上部沿支座反向施加1倍重力加速度的慣性載荷[16]。沿-方向施加標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，方向?yàn)檠匕白绷合蛳?，牽引座約束、兩個(gè)空間方向的自由度，1/2對(duì)稱模型在剖面施加對(duì)稱約束，行走機(jī)構(gòu)限制、、3個(gè)空間方向的自由度，材料屬性如表2所示，殼體部分等效成SOLID SHELL 190 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20 mm，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)701 031個(gè)，單元數(shù)517 791個(gè)，局部網(wǎng)格如圖1所示。

表2 材料屬性

圖1 網(wǎng)格劃分

上沖載荷工況如表3所示。慣性力依據(jù)《冷凍液化氣體汽車罐車》罐體及其緊固裝置在運(yùn)輸工況中承受的慣性力載荷，用等效壓力法施加載荷[17]。施加約束以及載荷之后的應(yīng)力強(qiáng)度如圖2、圖3、 圖4所示，在應(yīng)力最大值處零件厚度添加線性化路徑一。

表3 載荷工況

圖2 應(yīng)力強(qiáng)度

此處結(jié)構(gòu)為內(nèi)罐襯環(huán)處，屬于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，存在應(yīng)力集中。在罐體高應(yīng)力區(qū)沿壁厚的路徑上將各類應(yīng)力區(qū)分開，路徑一處的結(jié)構(gòu)存在一次薄膜與一次彎曲加二次應(yīng)力，選用3S進(jìn)行校核即一次局部薄膜應(yīng)力與一次彎曲應(yīng)力之和加二次應(yīng)力校核[18]。

圖3 路徑一應(yīng)力強(qiáng)度

圖4 路徑二應(yīng)力強(qiáng)度

表4 強(qiáng)度評(píng)定

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是最大地發(fā)揮奧氏體不銹鋼的作用以達(dá)到節(jié)省用量以及半掛車運(yùn)輸油耗，節(jié)能減排，節(jié)約能源。選用滿足分析設(shè)計(jì)的條件下，對(duì)罐體零部件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)。輕量化數(shù)學(xué)模型包括3部分：設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)變量這里選擇罐體內(nèi)容器角鋼圈的長(zhǎng)短邊寬以及厚度和內(nèi)外罐體的封頭厚度，狀態(tài)變量選取罐體零部件沿厚度方向上的應(yīng)力分類數(shù)值，使其滿足工作強(qiáng)度校核的約束條件之下，目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，本文目標(biāo)選取罐體質(zhì)量最小，輕量化數(shù)學(xué)模型如下。

2.2 響應(yīng)面分析法優(yōu)化

選用最佳空間填充的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案設(shè)置參數(shù)，更新參數(shù)生成50組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)取樣，生成的50組實(shí)驗(yàn)方案離散設(shè)計(jì)點(diǎn)以多元二次方程的形式擬合出零部件設(shè)計(jì)參數(shù)變量與優(yōu)化目標(biāo)之間的響應(yīng)面函數(shù)數(shù)學(xué)模型，以零部件參數(shù)為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化，尋找最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)，優(yōu)化的零部件數(shù)量為14個(gè)。響應(yīng)面更新后，生成擬合響應(yīng)面如圖5所示。

利用ANSYS Workbench設(shè)計(jì)探索優(yōu)化模塊對(duì)罐體零件進(jìn)行優(yōu)化，回歸方程根據(jù)DOE方法，產(chǎn)生50組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)，輕量化數(shù)學(xué)模型的顯著性明顯，失擬性不顯著。選用可供選擇的MOGA多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行求解，避免陷入局部最優(yōu)解。在進(jìn)行10^3數(shù)量級(jí)應(yīng)力強(qiáng)度迭代后，響應(yīng)面優(yōu)化在50組離散設(shè)計(jì)響應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)曲面上插值選出3組滿足輕量化數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)。將優(yōu)化前后罐體零件參數(shù)匯總至表5。

圖6 響應(yīng)曲面

表6 優(yōu)化前后各參數(shù)對(duì)比結(jié)果

3 結(jié) 論

本文采用應(yīng)力分析與響應(yīng)面優(yōu)化相結(jié)合的方法，對(duì)本公司某低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體模型參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。針對(duì)零件不同尺寸參數(shù)對(duì)于罐體受力情況的影響，通過響應(yīng)面優(yōu)化分析和數(shù)值模擬，匹配出當(dāng)前待優(yōu)化零件參數(shù)的最佳取值，結(jié)果符合《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，罐體質(zhì)量減少約259.57 kg， 得出當(dāng)前優(yōu)化工況下部分零部件的最優(yōu)參數(shù)，可以最大發(fā)揮角鋼圈對(duì)于加強(qiáng)罐體薄壁失穩(wěn)的作用，罐體零部件尺寸參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法同樣適用于優(yōu)化其他型號(hào)罐車，為低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體后續(xù)優(yōu)化提供了參考。

[1] 顧華，劉東進(jìn)，徐小艷.船用LNG燃料罐的關(guān)鍵技術(shù)研究及分析[J].遼寧化工，2020，49（12）：1502-1504.

[2] 洪玉. 液化氣體運(yùn)輸車罐車輕量化技術(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[3] DJUKIC L P, RODGERS D C, HERATH M T. Design, certification and field use of lightweight highly chemically resistant bulk liquid transport tanks[J].,2017, 3:439-459

[4] 吳茹星，王慶國(guó)，趙飛，等. 淺談鋁合金在專用汽車上的應(yīng)用[J]. 專用汽車，2018（2）：80-82.

[5] 王浩銘. 基于應(yīng)變強(qiáng)化的低溫液體運(yùn)輸車輕量化研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.

[6] 周寧，鄭津洋，盛水平，等. 銅制壓力容器輕量化研究[J].壓力容器，2010，27（11）：8-12.

[7] 白崇暉，白崇陽，張正棠. 壓力容器用奧氏體不銹鋼制造特點(diǎn)[J]. 遼寧化工，2021，50（5）：689-691.

[8] 王一川，凌祥，魏巍，等. 車載LNG儲(chǔ)罐外筒體內(nèi)部加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 石油化工設(shè)備，2015，44（6）：31-36.

[9] 任彥昭，魏巍，周建新，等. 車載LNG儲(chǔ)罐新型板翅式夾芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 化工機(jī)械，2013，40（6）：753-757.

[10] 王曉東. 移動(dòng)式深冷壓力容器典型八點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 廣州：華東理工大學(xué)，2016.

[11] 湯榮躍，譚婧.空氣儲(chǔ)罐的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].化工裝備技術(shù)，2017，38（5）：25-27.

[12] 張七斤.液化天然氣運(yùn)輸設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)探討[J].能源研究與管理，2017（3）：41-44.

[13] 呂亮國(guó)，蒙建國(guó)，譚心，等. 近十年我國(guó)壓力容器研究熱點(diǎn)分 析 ——基于Citespace的知識(shí)圖譜分析[J]. 科技管理研究，2019，39（6）：121-127.

[14] 范志超，陳學(xué)東，崔軍，等. 我國(guó)重型壓力容器輕量化設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 壓力容器，2013（2）：59-65.

[15] 朱國(guó)忠，楊陽，施喜昌，等.200 m3低溫立式貯罐產(chǎn)品夾套內(nèi)工藝配管管線分析計(jì)算[J].遼寧化工，2021，50（7）：1026-1028.

[16] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程TSG R0005—2011 [M]. 北京: 新華出版社，2011.

[17] 國(guó)家能源局.冷凍液化氣體汽車罐車NB/T 47058—2017 [M]. 北京： 新華出版社，2017.

[18] JB 4732—1995，鋼制壓力容器－分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S] .

[19] GB 150.1～150.4—201，壓力容器[S].

Numerical Simulation of Lightweight of Low Temperature Mobile Storage Tank Based on Response Surface

1,1,2,2,1,1

（1.Zhangjiagang CIMC Santum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China;2. College of Mechanical Engneering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212000, China）

The optimal design of a mobile pressure vessel was studied. Firstly, stress analysis was carried out by simulating the inertia force load of the semi-trailer tank model of cryogenic liquid transport under the standard punching condition, and evaluation was carried out by the analysis design standard. On this basis, the response surface was used to perform quadratic regression fitting, and the response surface fitting function mathematical model was obtained with the dimensions of tank parts as independent variables and the minimum stress intensity and mass on the linearization path as constraints. The genetic algorithm was used to solve the model. The results showed that the tank mass was reduced about 259.57kg, the tank inner head thickness was reduced by 0.90mm, the inner container angle ring long side width, short side width were reduced by 19.95mm and 10mm, thickness was reduced by 2 mm, meeting the evaluation standard.

Cryogenic liquid transport semi-trailer; Pressure vessel; Optimization design; Genetic algorithm

2022-04-06

吳小芳（1977-），女，江蘇省蘇州市人，高級(jí)工程師，畢業(yè)于江蘇大學(xué)過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向：低溫液體運(yùn)輸車及各種罐式集裝箱的設(shè)計(jì)開發(fā)。

王琪（1962-），江蘇省鹽城市人，教授，博士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造技術(shù)。

TQ053.2

A

1004-0935（2023）01-0065-04