高压储气罐的有限元应力分析

1、介绍
储气罐用于储存压缩气体，在正常或紧急情况下提供足够的气体。气罐结构简单，使用寿命长，对环境污染少，成本低。随着工业生产的发展，油箱在我国的应用越来越广泛。为了提高储气罐的储存效率，人们总是试图提高储气罐内气体的压力和体积。因此，对高压气罐的结构进行全面的计算分析，为设计提供理论依据，具有重要的理论意义和实用价值。首先建立了储气罐的三维模型，然后根据薄壳理论和有限元法计算了储气罐结构的静应力和变形，并对计算结果进行了比较。根据比较结果，提出了罐体截面尺寸的适当调整方案，并对罐体结构进行了优化。

2、高压储气罐三维模型
储气罐是一种钢制压力容器，有球形和圆柱形两种。圆柱形储气罐由于安装方便而得到广泛应用。气罐的结构比较简单，如图1所示。它包括进气口、排气口、安全阀和压力表。随着高压大容量储气罐的出现，最大储气压力达到4.5MPa，最大储气量达到600m3以上。

3、高压储罐的应力分析和理论计算
传统的高压油罐设计是基于薄壳理论进行的。然而，由于储气罐的设计没有规范，设计人员往往采用经验类比法进行设计和计算，这使得储气罐的设计存在一些问题。高压气体泄漏情况下，是否物料浪费无法控制。当圆柱形气罐的壁厚差远小于其内径D时，称为薄壁圆筒。

4、高压储气罐的有限元分析
4.1有限元分析预处理
采用MSC对高压储气罐进行了有限元计算和分析。Marc软件。有限元分析的预处理包括网格划分、加载模式、边界约束、材料参数等。有限元模型的网格划分直接影响计算速度和精度。由于储气罐的轴对称特性，为了在不影响精度的前提下减少计算量，采用轴对称方法对储气罐进行研究，可以减小模型规模，节省计算时间。
4.2有限元分析
有限元分析结果可以直接以图形的形式显示出来，使结构的重应力部分一目了然。因此，可以根据计算结果对储气罐的结构进行改进。气柜轴对称模型的轴向应力图如图4所示。从图中可以看出，最大轴向应力为125mpa，发生在内壁一侧。

5、结论
(1)采用薄壳理论计算得到的轴向应力和切向应力值与有限元分析结果基本一致，说明储气罐的设计参数应根据这些因素进行考虑。
(2)冯·米塞斯应力理论计算结果与有限元计算结果相差8%。安全系数[n] = 470251 = 1.87，满足结构安全要求。(3)储气罐厚度为30，可以满足强度要求。储气罐的重量约为25吨，既节省了材料，又能承受普通车辆的运输。