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摘 要

近年来，随着车载罐车设计、制造、加工技术的发展，车载储罐行业的竞争越来越激烈，高效低成本运输是车载储罐行业面临的最大难题。因此，如何最大限度增加装载质量对于提高车载储罐生产企业的市场竞争力有重大意义和工程应用价值。

国内外关于车载储罐轻量化研究报道较多，但是针对车载储罐外筒体加强筋结构优化设计文献相对较少。本文利用有限元分析法对车载LNG储罐整体进行三维建模，对车载LNG储罐三种运输工况（垂直工况，横向工况，纵向工况）进行模拟分析。在此基础上，对储罐外筒体的角钢加强筋的分布进行重新排布。

本文主要研究工作和结论如下：

对于传统角钢，长边宽为影响角钢结构刚度的主要因素，短边宽，边厚两个因素次之。角钢重新排列后，三种工况条件下（垂直状态，横向状态，纵向状态）外筒体和角钢的受力都有所降低，应力分布更为合理，最大应力均小于角钢和外筒体的许用应力。通过对板翅式夹芯结构参数（翅片高度、翅片宽度、翅片间距以及上下板厚、宽度等）进行正交设计分析，翅片高度和板宽因素是影响板翅式夹芯结构刚度的主要因素。

关键词：车载储罐；数值模拟； 加强筋；轻量化

Study on Structural Lightweight of Vehicle-mounted LNG Cryogenic Storage Tank

Abstract

In recent years, with the design, manufacture, processing and technology development of vehicle tank car, car tank industry is increasingly fierce competition. High efficiency and low cost transportation is the biggest problem in the on-board storage industry. Therefore, how to increase the loading quality in the limited space becomes the main development direction of specialized automobile in the future, which is conducive to increase the competition of company and has the great engineering application value.

There are a lot of lightweight research reports about car tank at home and abroad, however, there are relatively few documents on the stiffener structure optimization design of the outside cylinder storage tank. A 3D modeling of vehicle-mounted LNG tank was performed using Abaqus software, and three transportation conditions of vehicle-mounted LNG tank were simulated and analyzed. On this basis, Angle irons on the outer shell were configured.

This paper main research work and conclusions are as follows:

The results show that the main factors influencing the angle iron stiffness is the width of the long side. Based on the original angle iron configuration after reasonable design, the maximum stress of outer shell and the maximum stress of angle iron both meet the allowable stresses requirement of angle iron and the outer shell materials under three transportation conditions (vertical, horizontal, and longitudinal state). The main factors of plate-fin sandwich structure stiffness is the height of fin and the width of plate, other factors take the second place.

Key words: Vehicle-mounted tank; Numerical simulation; Stiffener; Lightweight

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 LNG低温储罐轻量化的研究方法 3

1.4 LNG低温储罐轻量化的研究内容 4

第二章 几种常见角钢加强筋的结构优化 5

2.1 引言 5

2.2 影响角钢结构刚度的主要因素 5

2.3 分析角钢结构的刚度 6

2.4 正交设计分析 7

2.5 正交设计结果分析 8

2.6 对几种常见的角钢建模进行比较 8

2.7 结论 10

第三章 车载LNG低温储罐整体建模分析 11

3.1 Abaqus软件建模全过程 11

3.1.1 模块的建立 11

3.1.2 有限元模型 12

3.1.3 定义材料属性 12

3.1.4 网格划分 13

3.2 八角支撑环的接触条件 15

3.3 运载情况下的载荷与约束模拟 15

3.3.1 约束条件 15

3.3.2 纵向工况条件下的应力分析 17

3.3.3 各部件受力情况 19

3.4 作业分析可视化 19

3.5 结论 21

第四章 板翅式夹芯结构的模拟技术研究 22

4.1 引言 22

4.2 影响板翅式夹芯结构刚度的因素 22

4.2.1 翅片结构因素分析 23

4.2.2 模型的建立 23

4.2.3 正交分析设计 24

4.2.4 正交分析的结果 24

4.2.5 使用有限元进行验证 25

4.3 上下板结构因素分析 25

4.3.1 正交分析设计 26

4.3.2 正交分析的结果 26

4.3.3 使用有限元进行验证 27

4.4 板翅式夹芯结构的优化 27

4.4.1 板翅式夹芯与筒体的组合结构形心 28

4.4.2 板翅式夹芯与筒体结构的组合惯性矩 29

4.4.3 翅片夹芯结构的刚度优化 29

第五章 结论 31

参考文献 32

致 谢 35

第一章 绪论

1.1 引言

作为一种易燃易爆的低温液体，LNG的储存和运输设备设计的最关键性问题在于安全与热泄漏。目前国际深冷液化气体储运设备领域的技术发展趋势是低温工程技术与大型贮运设备的有机结合与综合应用，这样可以提高安全性和运输效率，同时也能降低热量泄漏和能源消耗^[1]。随着各行业不断增大的物流运输需求，罐式车的作用越来越突出，罐式车所占的比例也显著增加^[2]。随着罐式车生产的发展，低温储运容器的生产设计技术也在不断完善和自我创新。

车载LNG低温储罐作为真空绝热低温液体的载体，多为卧式双层容器组成。内筒体承装低温液化天然气液体，在一般情况下，内筒体材料为06Cr19Ni10奥氏体不锈钢。内外筒体夹层为真空状态起绝热作用，所以外壳承受- 0.1 MPa外压，外筒体材料一般情况下是Q345R。内筒体通过绝热支撑与外筒体连接，绝热支撑应能满足内筒体热胀冷缩的变化。

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