闫东东， 王 琪,， 吴小芳， 狄骏皓， 丁徐强

低温移动LNG储罐角钢圈轻量化设计研究

闫东东1， 王 琪1,2， 吴小芳3， 狄骏皓1， 丁徐强2

（1. 江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212000；2. 南通理工学院 汽车工程学院，江苏 南通 226000；3. 张家港中集圣达因特种装备有限公司，江苏 张家港 215600）

由于低温液体运输半挂车重心高、质量大、能耗高，进行优化设计很有必要。因此，对某型号低温液体运输半挂车罐体进行建模，根据标准工况承受的惯性力载荷进行应力分析，使用分析设计标准中的应力分类法进行校核。基于实验设计的设计点采样和曲面拟合技术，以角钢圈尺寸参数为自变量，线性化路径上的应力强度为约束条件，建立有限元拟合函数数学模型，采用MOGA多目标遗传算法进行求解。结果表明，优化后的罐体满足评定标准，罐体质量减少约226.37 kg，罐体内容器与外壳角钢圈长边宽、短边宽减少了0.53、19.98、9.98、11.98 mm，对优化后的角钢圈组合截面惯性矩进行计算验证，满足压力容器常规设计要求。

低温储罐；数值模拟；半挂车；轻量化；遗传算法

低温液体运输半挂车主要是LN2、LO2、LCO2、LAR、LNG、LH2等深冷介质的公路运输工具。移动压力容器是指由罐体或者大容积钢质无缝气瓶与行走装置或者框架，采用永久性连接组成的运输装备[1]。鞍座副梁与行走机构车架边梁采用永久性焊接或螺栓连接，牵引座与牵引机构车头拖挂部分采用50#牵引销连接。罐内低温LNG介质于－162～－130℃在相关设计压力下存储于移动式压力容器罐体内容器内，罐体卸液时液体经翅片式或绕片式增压器向内容器增压以弥补泵体抽液时形成的压力差变化。相关的研究热点是低温液体运输半挂车的轻量化，以提高低温LNG液体运输效率。

近十年来，国内外众多专家学者在罐用材料方面选用玻璃钢、镁、铝合金等替换不锈钢[2-4][3]，应变强化增加罐体材料的强度裕度，绝热新型材料、安全阀、爆破片、泄压阀等的设计、管路以及罐体部分的有限元计算[5-7][6][6]，运输过程中罐内液体介质的晃动对罐体装载液体重心的转移影响、罐车泄露爆炸的数值分析、交通事故中各种因素对翻车和释放危险物质概率的影响、等进行了大量的试验和仿真模拟[8-11][9][10]。结构轻量化方面，王一川和任彦昭等人提出一种新型翅片夹芯结构加强圈代替原角钢圈[12-13]，王晓东从八点支撑的角度对该结构件进行了优化[14]，伍能和采用布谷鸟搜索算法对封头中心接管结构件进行了优化[15]。张自斌、段若等人对罐体壁厚、内径、接管壁厚进行了多目标优化设计[16-17]，目前，实际工程生产应用罐体筒体壁厚已采用压力容器标准中的极限要求。迄今，压力容器的轻型化仍是研究热点之一[18-20][19]。

本文用已有设计数据二维图绘制罐体三维模型，用ANSYS有限元软件进行强度验证，并结合响应面方法拟合出罐体内容器与外壳角钢圈长边宽、短边宽参数与罐体质量和应力强度的函数关系式，通过遗传算法进行迭代，寻找响应面设计点全局最优取值，对罐体参数进行优化。在保证可靠性的前提下，接近总体质量轻的目标。

1 罐体结构设计建模

基本设计参数根据低温液体运输半挂车罐体强度如下表1所示，此车型充装介质为低温LNG液体，介质密度513.5 kg/m3，罐体外形长度为12 704 mm，额定载质量24 300 Kg。

表1 罐体主要技术参数

根据上述数据以参数化特征造型为基础，对罐体进行建模，前冲工况选用1/2模型，内容器和外壳体中间采用前后八点支撑，八点支撑用Z3848玻璃钢管与绝热支撑棒。内容器外表面使用铝箔纸与玻璃纤维纸交叉缠绕的绝热被进行包裹，绝热被厚度约为20±2 mm，绝热材料符合GB/T31480的要求，缠绕完一层后用尼龙线缝合在筒体两端。约进行50次缠绕后对夹层进行充氮置换处理3～5次，保证内外筒体绝对隔热系数以及高真空多层绝热槽车制造工艺，罐体三维视图如图1所示。

图1 罐体

2 罐体静力学分析

2.1 静力学分析

壳体内壁施加静压力（设计压力0.65 MPa），内外罐体之间施加－0.1 MPa的真空压力，运行方向施加沿罐体方向的惯性载荷；沿支座方向向下的标准重力加速度，在牵引机构底部及行走机构底部采用模拟车弹簧板及轮胎的垂直方向弹性支撑（垂直方向无拉伸约束的弹性支撑），约束其余两个方向的位移，对称模型在对称面施加对称约束，行走机构底面限制三个方向的位移[21]，材料属性和载荷工况如表2、3所示。

表2 材料属性

表3 载荷工况

总体质量10 110 Kg加上额定载质量24 300 Kg，其中的惯性力按照《冷冻液化气体汽车罐车》罐体及其紧固装置在运输工况中承受的惯性力载荷，用等效压力法[22]施加载荷，乘以重力加速度，按要求转换成等效静态力[1]。应力强度如图2所示，应力最大值出现在内容器与前支座连接垫板上布置的角钢圈边缘处。

图2 应力强度

通过ANSYS提供的路径线性化的功能，在内封头应力最大处沿厚度添加线性化路径一，根据分析设计标准，路径一上的应力存在薄膜与弯曲应力，选用1.5KS进行校核，筒体与封头过渡处的应力采用一次总体薄膜应力加一次弯曲应力校核。总体结构不连续处以及开孔区域存在应力集中，在结构局部高应力区沿壁厚的路径上各类应力区分开，存在薄膜与弯曲加二次应力，选用3S进行校核，采用一次局部薄膜应力加一次弯曲应力加二次应力校核[23-25][24]。

图3 路径一应力强度

根据分析标准，路径二取在应力值最大处的角钢圈边缘，实际工程中内筒体、角钢圈、八点支撑玻璃钢管、支座垫板等结构都需要线性化查看应力是否满足标准，这里是一种理想情况。得到路径二下的应力强度如图4所示，各条路径应力线性化的评定结果如表4所示。

图4 最大应力处应力强度

表4 强度评定

3 优化设计

3.1 优化数学模型

选用响应曲面优化进行优化设计，用于产品详细设计阶段。拓扑优化主要是对结构拓扑外形进行优化，可能会产生复杂的拓扑形态，虽然可以减少结构质量，会造成加工困难以及工艺成本的增加[26]。选择尺寸设计参数作为输入参数、质量、路径一、二上的线性化应力强度为输出数据。在Response surface optimization中创建田口正交实验设计数据表格，在光滑的拟合响应曲面上取50组设计取样点。各变量之间用数学表达式表示，简称参数耦合[27]，这些参数反应着结构形状的大小以及产品性能优劣，轻量化数学模型如式（1）～（5）所示。

实际中，设计变量与响应变量之间的真实函数关系是不可知的，响应面方法采用多元二次方程来拟合设计变量与响应变量之间的函数关系，是实际情况的一种近似[28]。这里将罐体内容器与外壳角钢圈长边宽、短边宽数据作为1～4输入。1,2, …, x代表一组相互独立参数的设计变量，用列向量表示，在N维空间中取到数个点分析优化模型，在边界与可行域中寻找最小质量函数的最优解。1为一次总体薄膜应力加上一次弯曲应力，2为一次局部薄膜应力加一次弯曲应力加二次应力，()为优化目标，为罐体质量。

3.2 响应面分析法优化

通过Design of Experiments模块进行优化实验设计。设置参数后，更新参数后得到50组实验设计点，50组实验方案的设计点得到输出变量关于输入变量的近似变化规律以曲面拟合的形式表现出，实验设计点响应结果如表5所示。

表5 实验设计点响应结果

（续表5）

①指角钢圈总体质量

响应面更新后，这里选取对路径一、二线性化应力较为敏感的输入参数内容器与外容器角钢圈短边宽、内容器角钢圈短边宽与长边宽生成应力强度响应图5观察拟合精度。

3.3 优化结果及优化前后对比

通过Optimization模块进行优化求解设置，设置各线性化路径上的应力强度低于材料的允许范围，优化目标为质量最小值。Screening方法是一种直接采样，可用于响应面优化系统以及直接优化系统，但此方法仅适合于初步的优化设计，精度较低[29]。选用适合计算全局最大值或最小值的MOGA算法，MOGA算法是基于NSGA-Ⅱ的一个变种多目标遗传算法。采用MOGA算法后，生成3个候选点，应力强度迭代图6。求解结果如表6所示。罐体及其支座优化前后各参数对比如表7所示，优化后的罐体质量减少约226.37 kg。

图6 路径二应力强度迭代

表6 求解结果

表7 优化前后各参数对比结果

计算角钢圈与圆筒组合段所需的惯性矩[30]：

满足《压力容器》设计要求。

4 结论

优化后的线性化应力结果满足《钢制压力容器-分析设计标准》对于材料的极限许用应力范围之下，通过了低温液体运输半挂车前冲工况的强度校核。罐体质量减少约226.37 kg，接近了轻量化、大容积的目标，并满足《压力容器》中对于角钢圈惯性矩的要求。得到该型号低温液体运输车前冲工况下罐体角钢圈的优化尺寸，在低温液体运输半挂车运输工况许用的条件范围之下通过遗传算法求出最优取值。

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Lightweight Design of Angle Ring for Low Temperature Mobile LNG Storage Tank

YAN Dong-dong1, WANG Qi1,2, WU Xiao-fang3, DI Jun-hao1, DING Xu-qiang2

（1. College of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212000, China;2. Automotive Engineering College, Nantong Institute of Technology, Nantong 226000, China;3. Zhangjiagang CIMC Santum Special Equipment Co. Ltd., Zhangjiagang 215600, China）

Because of the high center of gravity, large mass and high energy consumption of the semi-trailer for cryogenic liquid transportation, it is necessary to optimize the design. Therefore, the model of a type of cryogenic liquid transport semi-trailer tank is modeled, the stress analysis is carried out according to the inertia force load under standard working conditions, and the stress classification method in the analysis and design standard is used to check. Based on the design point sampling and surface fitting technology of experimental design, the finite element fitting function mathematical model was established with the Angle ring size parameters as independent variables and the stress intensity along the linearized path as constraints. MOGA multi-objective genetic algorithm was used to solve the model. The results show that the optimized tank meets the evaluation standard, the tank mass is reduced by 226.37 kg, and the long side width and short side width of the Angle ring between the container and the shell are reduced by 0.53 mm, 19.98 mm, 9.98 mm and 11.98 mm. The moment of inertia of the combined section of the optimized Angle ring is verified by calculation, which meets the conventional design requirements of pressure vessels.

cryogenic storage tank; semitrailer; response surface; lightweight design; genetic algorithm

TQ053.2

A

1009-220X(2022)04-0068-08

10.16560/j.cnki.gzhx.20220404

2022-01-26

国家自然科学基金项目（51906091）。

闫东东（1997～），男，陕西咸阳人，硕士；主要从事特种车辆零部件应力分析与优化设计的研究。