压缩天然气储运设备应力分析及载荷优化

【摘要】：随着压缩天然气汽车的研发和应用,储气井和复合材料气瓶作为压缩天然气的储运设备得到了大量的推广和应用。人们在储气井和复合材料气瓶的使用和检测过程中发现了许多的问题,这些问题往往导致储气井和复合材料气瓶的安全性能降低。为了提高储气井和复合材料气瓶的安全性能,近几年来相关的研究人员已做了大量的研究工作且相应的研究成果已解决了不少的实际问题,但现今仍然存在一些问题有待解决,因此对储气井和复合材料气瓶的研究仍十分必要。 套管和管箍是储气井主要的受压元件。套管和管箍之间采用螺纹结构进行连接,上扣扭矩是螺纹连接质量的一个重要影响因素。文中采用有限元分析方法建立储气井套管和管箍螺纹连接部位的力学模型,并对其进行应力分析；讨论了上扣扭矩对储气井套管和管箍螺纹连接部位的连接强度和疲劳性能的影响；提出了一种计算储气井上扣扭矩的计算方法；利用分析结果和相关标准实现了对储气井上扣扭矩的优化。分析结果表明：过盈圈数在0到3圈范围内所对应的上扣扭矩对储气井套管和管箍螺纹连接部位的连接强度影响较大,而对其疲劳性能影响较小；套管和管箍之间的连接螺纹过盈圈数控制在1.5到2.8圈之内能够满足上扣扭矩的要求；过盈圈数达到2圈时,储气井套管和管箍之间的连接螺纹处于最佳状态。 由于复合材料气瓶的内衬和复合材料层采用的是两种力学性能差异较大的材料,从而造成其沿壁厚方向的应力分布不均匀。复合材料气瓶经过自紧处理后可使其应力分布趋于均匀化,并能充分发挥碳纤维优良的高强度性能,提高复合材料气瓶的总体疲劳性能。文中以容积为140L,工作压力为35MPa的复合材料气瓶为例进行应力分析,并对其自紧压力进行优化。分析结果表明：工作状态下,未自紧处理的复合材料气瓶内衬层部分筒体已进入了塑性应力状态；复合材料层的最大Mises应力远低于碳纤维的抗拉强度；碳纤维的优越性能未能得到充分的发挥,复合材料气瓶使用寿命较低；自紧后,内衬上应力分布得到改善,纤维性能得到了充分的发挥,复合材料气瓶使用寿命得到大大提高；工作压力为35MPa全缠绕复合材料气瓶的最佳自紧压力为64.4MPa。 【关键词】：储气井 上扣扭矩 复合材料气瓶 自紧分析 有限元
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE97
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-25
• 1.1 课题的研究背景及意义9-10
• 1.2 CNG储气井10-15
• 1.2.1 CNG储气井简介10-13
• 1.2.2 CNG储气井载荷特点13
• 1.2.3 CNG储气井设计13-14
• 1.2.4 CNG储气井的优点14
• 1.2.5 CNG储气井国内外研究现状14-15
• 1.3 CNG复合材料气瓶15-22
• 1.3.1 CNG复合材料气瓶简介15-16
• 1.3.2 CNG复合材料气瓶的材料选用16-18
• 1.3.3 CNG复合材料气瓶成型18-20
• 1.3.4 复合材料气瓶国内外研究现状20-22
• 1.4 有限元法22-24
• 1.5 本文研究内容24-25
• 2 CNG储气井应力分析25-35
• 2.1 储气井基本材料参数25-27
• 2.1.1 套管和管箍结构尺寸及材料性能25-26
• 2.1.2 螺纹密封脂26-27
• 2.2 储气井套管和管箍有限元模型27-30
• 2.2.1 套管和管箍有限元模型建立27-29
• 2.2.2 套管和管箍有限元模型网格划分及边界条件29-30
• 2.3 储气井套管和管箍应力分析结果30-34
• 2.3.1 不考虑上扣扭矩的情况30-32
• 2.3.2 考虑上扣扭矩的情况32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 3 储气井上扣扭矩优化35-51
• 3.1 上扣扭矩对储气井套管和管箍连接强度的影响35-40
• 3.2 上扣扭矩对储气井的疲劳性能影响40-46
• 3.2.1 储气井疲劳分析处理方法40
• 3.2.2 储气井疲劳分析结果40-46
• 3.3 上扣扭矩计算方法46-50
• 3.3.1 上扣扭矩计算公式推导46-48
• 3.3.2 上扣扭矩优化结果48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 全缠绕复合气瓶应力分析51-65
• 4.1 复合材料气瓶有限元模型建立51-58
• 4.1.1 复合材料气瓶几何结构51-53
• 4.1.2 复合材料气瓶材料属性53
• 4.1.3 单元类型选取及网格划分53-57
• 4.1.4 模型边界条件57-58
• 4.2 复合材料气瓶应力分布要求58-59
• 4.3 复合材料气瓶应力分析结果59-64
• 4.3.1 不考虑自紧压力的情况59-61
• 4.3.2 考虑自紧压力的情况61-64
• 4.4 本章小结64-65
• 5 全缠绕复合材料气瓶自紧压力优化65-76
• 5.1 自紧原理65-66
• 5.2 自紧处理的必要性66-68
• 5.3 复合材料气瓶自紧压力优化结果68-75
• 5.4 本章小结75-76
• 结论76-78
• 参考文献78-81
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 致谢82-83

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