吴小芳，许志泉，王琪，闫东东，刘吉玲，周峰
基于响应面的低温移动储罐轻量化数值模拟
吴小芳1，许志泉1，王琪2，闫东东2，刘吉玲1，周峰1
（1. 张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 张家港 2156321；
2. 江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212000）
对某移动压力容器进行了优化设计研究，首先通过仿真模拟低温液体运输半挂车罐体模型在标准上冲工况承受的惯性力载荷进行应力分析，用分析设计标准进行评定。在此基础上采用响应面进行二次回归拟合，得到以罐体零部件尺寸参数为自变量、线性化路径上的应力强度和质量最小为约束条件的响应面拟合函数数学模型，使用遗传算法进行求解。结果表明：罐体质量减少约259.57 kg，罐体内封头厚度减少了0.90 mm，内容器角钢圈长边宽、短边宽减少了19.9 5 mm、10 mm，厚度减少了2 mm，且满足评定标准。
低温液体运输半挂车；
压力容器；
优化设计；
遗传算法
中国现已建立起规模成熟的工业气体市场，工业气体运输快速发展。LNG相较于传统常规柴油燃料，综合排放降低约 85%[1]。1 L的LNG液体可以转化为625 L液化天然气，液体LNG更便于运送和贮藏，近年来我国的压力容器总量一直处于上升阶段，液化天然气的价格和稀有程度限制了自身的运输成本、铁路与集装箱海运时效性以及区域的限制、管路建设不经济，相较于公路低温液体运输半挂车气体运输更加灵活方便，更适用于小中型加气站。研究低温液体运输半挂车的轻量化、提高低温LNG液体运输效率是当前的研究热点。
轻质材料和轻体结构是实现轻量化的两个主要途径，近10年来，国内外众多专家学者在罐用材料选用玻璃钢、镁、铝合金等替换不锈钢[2-4]，应变强化增加罐体材料的强度裕度，提高材料的许用应力，压力容器用奥氏体不锈钢制造[5-7]。王一川等提出一种新型翅片夹芯结构加强圈代替原角钢圈[8-9]，王晓东从八点支撑的角度对该结构件进行了优化[10]，汤荣跃编写了一种轻量化设计软件来优化空气储 罐[11]。迄今，压力容器的轻型化仍是研究热点之 一[12-14]，有研究表明，汽车减重10%，油耗会降低6%～8%，废气排放减少50%～60%。
用已有罐体计算书设计数据构建罐体三维模型，用ANSYS商业有限元软件进行线性化应力强度验证，结合响应面方法拟合出罐体零部件参数与待优化零件质量和应力强度的函数关系式，通过遗传算法进行迭代求解，寻找响应面拟合函数数学模型全局最优取值和各组实验数据的最优匹配。
1.1 罐体有限元模型
设计参数根据低温液体运输半挂车罐体设计计算书已给出，如表1所示，此车型充装低温液化天然气液体介质，罐体外形总长度12 704 mm，额定载质量24 300 kg，该低温液体贮罐为卧式容器，其结构由内、外容器等组成[15]。
表1 罐体主要技术参数
根据上述数据进行罐体参数化建模，内罐和外壳夹层中间用前后八点支撑Z3848玻璃钢管嵌套绝热支撑棒进行内外罐体之间连接。夹层采用高真空多层绝热技术槽车制造工艺，保证内外筒体绝对隔热系数。
1.2 静力学分析
内容器壳体内壁总体施加静压力（设计压力0.65 MPa），内容器与外壳夹层之间施加-0.1 MPa真空压力，罐体上部沿支座反向施加1倍重力加速度的惯性载荷[16]。沿-方向施加标准重力加速度，方向为沿鞍座副梁向下，牵引座约束、两个空间方向的自由度，1/2对称模型在剖面施加对称约束，行走机构限制、、3个空间方向的自由度，材料属性如表2所示，壳体部分等效成SOLID SHELL 190 单元进行网格划分，网格尺寸设置为20 mm，得到节点数701 031个，单元数517 791个，局部网格如图1所示。
表2 材料属性
图1 网格划分
上冲载荷工况如表3所示。惯性力依据《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，用等效压力法施加载荷[17]。施加约束以及载荷之后的应力强度如图2、图3、 图4所示，在应力最大值处零件厚度添加线性化路径一。
表3 载荷工况
图2 应力强度
此处结构为内罐衬环处，属于总体结构不连续处，存在应力集中。在罐体高应力区沿壁厚的路径上将各类应力区分开，路径一处的结构存在一次薄膜与一次弯曲加二次应力，选用3S进行校核即一次局部薄膜应力与一次弯曲应力之和加二次应力校核[18]。
图3 路径一应力强度
图4 路径二应力强度
表4 强度评定
2.1 优化数学模型
低温液体运输半挂车罐体优化设计的目的是最大地发挥奥氏体不锈钢的作用以达到节省用量以及半挂车运输油耗，节能减排，节约能源。选用满足分析设计的条件下，对罐体零部件进行响应面优化设计。轻量化数学模型包括3部分：设计变量、状态变量以及目标函数，设计变量这里选择罐体内容器角钢圈的长短边宽以及厚度和内外罐体的封头厚度，状态变量选取罐体零部件沿厚度方向上的应力分类数值，使其满足工作强度校核的约束条件之下，目标函数是优化设计的目标，本文目标选取罐体质量最小，轻量化数学模型如下。
2.2 响应面分析法优化
选用最佳空间填充的实验设计方案设置参数，更新参数生成50组实验设计点取样，生成的50组实验方案离散设计点以多元二次方程的形式拟合出零部件设计参数变量与优化目标之间的响应面函数数学模型，以零部件参数为目标驱动优化，寻找最佳设计点，优化的零部件数量为14个。响应面更新后，生成拟合响应面如图5所示。
利用ANSYS Workbench设计探索优化模块对罐体零件进行优化，回归方程根据DOE方法，产生50组实验设计数据，分析发现，轻量化数学模型的显著性明显，失拟性不显著。选用可供选择的MOGA多目标遗传算法进行求解，避免陷入局部最优解。在进行10^3数量级应力强度迭代后，响应面优化在50组离散设计响应点的响应曲面上插值选出3组满足轻量化数学模型的优化设计点。将优化前后罐体零件参数汇总至表5。
图6 响应曲面
表6 优化前后各参数对比结果
本文采用应力分析与响应面优化相结合的方法，对本公司某低温液体运输半挂车罐体模型参数进行了优化研究。针对零件不同尺寸参数对于罐体受力情况的影响，通过响应面优化分析和数值模拟，匹配出当前待优化零件参数的最佳取值，结果符合《钢制压力容器-分析设计标准》，罐体质量减少约259.57 kg， 得出当前优化工况下部分零部件的最优参数，可以最大发挥角钢圈对于加强罐体薄壁失稳的作用，罐体零部件尺寸参数结构优化方法同样适用于优化其他型号罐车，为低温液体运输半挂车罐体后续优化提供了参考。
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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
吴小芳（1977-），女，江苏省苏州市人，高级工程师，毕业于江苏大学过程装备与控制工程专业，研究方向：低温液体运输车及各种罐式集装箱的设计开发。
王琪（1962-），江苏省盐城市人，教授，博士，研究方向：数字化设计与智能制造技术。
TQ053.2
A
1004-0935（2023）01-0065-04
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