基于響應面的低溫移動儲罐輕量化數值模擬

吳小芳，許志泉，王琪，閆東東，劉吉玲，周峰

基于響應面的低溫移動儲罐輕量化數值模擬

吳小芳1，許志泉1，王琪2，閆東東2，劉吉玲1，周峰1

（1. 張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 2156321；2. 江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212000）

對某移動壓力容器進行了優化設計研究，首先通過仿真模擬低溫液體運輸半掛車罐體模型在標準上沖工況承受的慣性力載荷進行應力分析，用分析設計標準進行評定。在此基礎上采用響應面進行二次回歸擬合，得到以罐體零部件尺寸參數為自變量、線性化路徑上的應力強度和質量最小為約束條件的響應面擬合函數數學模型，使用遺傳算法進行求解。結果表明：罐體質量減少約259.57 kg，罐體內封頭厚度減少了0.90 mm，內容器角鋼圈長邊寬、短邊寬減少了19.9 5 mm、10 mm，厚度減少了2 mm，且滿足評定標準。

低溫液體運輸半掛車； 壓力容器；優化設計；遺傳算法

中國現已建立起規模成熟的工業氣體市場，工業氣體運輸快速發展。LNG相較于傳統常規柴油燃料，綜合排放降低約 85%[1]。1 L的LNG液體可以轉化為625 L液化天然氣，液體LNG更便于運送和貯藏，近年來我國的壓力容器總量一直處于上升階段，液化天然氣的價格和稀有程度限制了自身的運輸成本、鐵路與集裝箱海運時效性以及區域的限制、管路建設不經濟，相較于公路低溫液體運輸半掛車氣體運輸更加靈活方便，更適用于小中型加氣站。研究低溫液體運輸半掛車的輕量化、提高低溫LNG液體運輸效率是當前的研究熱點。

輕質材料和輕體結構是實現輕量化的兩個主要途徑，近10年來，國內外眾多專家學者在罐用材料選用玻璃鋼、鎂、鋁合金等替換不銹鋼[2-4]，應變強化增加罐體材料的強度裕度，提高材料的許用應力，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構加強圈代替原角鋼圈[8-9]，王曉東從八點支撐的角度對該結構件進行了優化[10]，湯榮躍編寫了一種輕量化設計軟件來優化空氣儲 罐[11]。迄今，壓力容器的輕型化仍是研究熱點之 一[12-14]，有研究表明，汽車減重10%，油耗會降低6%～8%，廢氣排放減少50%～60%。

用已有罐體計算書設計數據構建罐體三維模型，用ANSYS商業有限元軟件進行線性化應力強度驗證，結合響應面方法擬合出罐體零部件參數與待優化零件質量和應力強度的函數關系式，通過遺傳算法進行迭代求解，尋找響應面擬合函數數學模型全局最優取值和各組實驗數據的最優匹配。

1 罐體靜力學分析

1.1 罐體有限元模型

設計參數根據低溫液體運輸半掛車罐體設計計算書已給出，如表1所示，此車型充裝低溫液化天然氣液體介質，罐體外形總長度12 704 mm，額定載質量24 300 kg，該低溫液體貯罐為臥式容器，其結構由內、外容器等組成[15]。

表1 罐體主要技術參數

根據上述數據進行罐體參數化建模，內罐和外殼夾層中間用前后八點支撐Z3848玻璃鋼管嵌套絕熱支撐棒進行內外罐體之間連接。夾層采用高真空多層絕熱技術槽車制造工藝，保證內外筒體絕對隔熱系數。

1.2 靜力學分析

內容器殼體內壁總體施加靜壓力（設計壓力0.65 MPa），內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-方向施加標準重力加速度，方向為沿鞍座副梁向下，牽引座約束、兩個空間方向的自由度，1/2對稱模型在剖面施加對稱約束，行走機構限制、、3個空間方向的自由度，材料屬性如表2所示，殼體部分等效成SOLID SHELL 190 單元進行網格劃分，網格尺寸設置為20 mm，得到節點數701 031個，單元數517 791個，局部網格如圖1所示。

表2 材料屬性

圖1 網格劃分

上沖載荷工況如表3所示。慣性力依據《冷凍液化氣體汽車罐車》罐體及其緊固裝置在運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力強度如圖2、圖3、 圖4所示，在應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 應力強度

此處結構為內罐襯環處，屬于總體結構不連續處，存在應力集中。在罐體高應力區沿壁厚的路徑上將各類應力區分開，路徑一處的結構存在一次薄膜與一次彎曲加二次應力，選用3S進行校核即一次局部薄膜應力與一次彎曲應力之和加二次應力校核[18]。

圖3 路徑一應力強度

圖4 路徑二應力強度

表4 強度評定

2 優化設計

2.1 優化數學模型

低溫液體運輸半掛車罐體優化設計的目的是最大地發揮奧氏體不銹鋼的作用以達到節省用量以及半掛車運輸油耗，節能減排，節約能源。選用滿足分析設計的條件下，對罐體零部件進行響應面優化設計。輕量化數學模型包括3部分：設計變量、狀態變量以及目標函數，設計變量這里選擇罐體內容器角鋼圈的長短邊寬以及厚度和內外罐體的封頭厚度，狀態變量選取罐體零部件沿厚度方向上的應力分類數值，使其滿足工作強度校核的約束條件之下，目標函數是優化設計的目標，本文目標選取罐體質量最小，輕量化數學模型如下。

2.2 響應面分析法優化

選用最佳空間填充的實驗設計方案設置參數，更新參數生成50組實驗設計點取樣，生成的50組實驗方案離散設計點以多元二次方程的形式擬合出零部件設計參數變量與優化目標之間的響應面函數數學模型，以零部件參數為目標驅動優化，尋找最佳設計點，優化的零部件數量為14個。響應面更新后，生成擬合響應面如圖5所示。

利用ANSYS Workbench設計探索優化模塊對罐體零件進行優化，回歸方程根據DOE方法，產生50組實驗設計數據，分析發現，輕量化數學模型的顯著性明顯，失擬性不顯著。選用可供選擇的MOGA多目標遺傳算法進行求解，避免陷入局部最優解。在進行10^3數量級應力強度迭代后，響應面優化在50組離散設計響應點的響應曲面上插值選出3組滿足輕量化數學模型的優化設計點。將優化前后罐體零件參數匯總至表5。

圖6 響應曲面

表6 優化前后各參數對比結果

3 結 論

本文采用應力分析與響應面優化相結合的方法，對本公司某低溫液體運輸半掛車罐體模型參數進行了優化研究。針對零件不同尺寸參數對于罐體受力情況的影響，通過響應面優化分析和數值模擬，匹配出當前待優化零件參數的最佳取值，結果符合《鋼制壓力容器-分析設計標準》，罐體質量減少約259.57 kg， 得出當前優化工況下部分零部件的最優參數，可以最大發揮角鋼圈對于加強罐體薄壁失穩的作用，罐體零部件尺寸參數結構優化方法同樣適用于優化其他型號罐車，為低溫液體運輸半掛車罐體后續優化提供了參考。

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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，高級工程師，畢業于江蘇大學過程裝備與控制工程專業，研究方向：低溫液體運輸車及各種罐式集裝箱的設計開發。

王琪（1962-），江蘇省鹽城市人，教授，博士，研究方向：數字化設計與智能制造技術。

TQ053.2

A

1004-0935（2023）01-0065-04