冷旋壓高壓氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

(1．杭州汽輪機(jī)股份有限公司，杭州 310022；2．浙江金盾壓力容器有限公司，浙江 紹興 312367)

0 引言

高壓氣瓶作為一種氣體儲(chǔ)存容器，用于貯運(yùn)各種類(lèi)型的永久氣體、液化氣體以及溶解氣體，并在航空、工礦企業(yè)、海洋、醫(yī)療設(shè)備等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用[1-3]。目前，冷旋壓技術(shù)作為高壓氣瓶的主要生產(chǎn)方法之一，可以從根本上解決傳統(tǒng)氣瓶在生產(chǎn)中出現(xiàn)的焊縫不連續(xù)、強(qiáng)度低、脆裂等缺陷問(wèn)題，并且可以大幅度提高氣瓶的氣密性和耐壓性[4]。由于氣瓶在高壓載荷作用下，應(yīng)力應(yīng)變很復(fù)雜，呈現(xiàn)高應(yīng)力水平并承受很大的循環(huán)應(yīng)力，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題，因此，對(duì)高壓氣瓶進(jìn)行力學(xué)分析尤為重要。鑒于此，采用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)(凹底式)進(jìn)行強(qiáng)度分析，從而改善瓶底結(jié)構(gòu)，以提高氣瓶的可靠性和安全性，減輕氣瓶重量，提高經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)氣瓶充裝壓力的升級(jí)。

1 高壓鋼瓶制造技術(shù)

高強(qiáng)度氣瓶一般都是采用鋼坯經(jīng)加熱并經(jīng)沖壓、拔伸的方法進(jìn)行制造，該方法使用大型立式水壓機(jī)、臥式拔伸水壓機(jī)[5]。由于受水壓機(jī)的對(duì)中性、模具裝配精度與磨損、鋼坯加熱溫度均勻性等的影響，采用沖拔工藝得到的瓶坯壁厚不均勻，從而造成氣瓶的空瓶質(zhì)量大，應(yīng)力分布不均勻。

鋼坯經(jīng)熱沖壓、拔伸工序制成具有一定長(zhǎng)度、厚度的料坯，采用自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的冷旋壓精密加工一次成型技術(shù)，使用三旋輪冷旋壓機(jī)，將旋壓機(jī)芯模套入料坯中，并按規(guī)定的速度旋轉(zhuǎn)，三旋輪按規(guī)定的壓下量同時(shí)壓下并反向旋壓、向前推進(jìn)，將料坯旋壓成符合規(guī)定要求的瓶坯[6]。以消除內(nèi)外表面缺陷、均勻壁厚、改善材料性能，提高氣瓶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

三旋輪安裝在同一圓弧高度上，按120°布置，見(jiàn)圖1。為保證旋透平均厚度t0金屬表面質(zhì)量，并防止內(nèi)表面扭曲變形以及外表面起皮、鼓泡和深旋壓波紋現(xiàn)象，在保證生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)研究確定了冷旋壓工藝參數(shù)，見(jiàn)表1。冷旋壓以后，瓶坯檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，瓶坯壁厚偏差比沖壓瓶坯降低約0.50 mm，瓶坯質(zhì)量比沖拔式瓶坯降低5%左右。

圖1 三旋輪冷旋壓示意

表1 冷旋壓精密加工工藝參數(shù)

表2 ?229 mm-50 L沖拔+冷旋壓氣瓶參數(shù)(按ISO 9809-2:2010設(shè)計(jì))

2 高壓氣瓶瓶底有限元模型

2.1 氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)尺寸

本文針對(duì)規(guī)格為?229 mm-50 L高壓氣瓶瓶底進(jìn)行分析。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 9809-2:2010[7]中的要求：S為氣瓶壁厚，S1為凹底中心厚度，S3為著地點(diǎn)厚度，S1≥2S，S3≥2S，H≥0.12D0，過(guò)渡圓弧半徑R1≥0.075D0，為了獲得合理的應(yīng)力，氣瓶瓶體和底部過(guò)渡圓弧部分應(yīng)逐步增加，氣瓶凹形底部幾何結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/JD 002—2016的要求，并考慮到爆破試驗(yàn)主破口應(yīng)在筒體上的要求，氣瓶凹形底部尺寸取值如表3所示。

圖2 氣瓶底部幾何結(jié)構(gòu)尺寸示意

表3 瓶底結(jié)構(gòu)主要尺寸 mm

2.2 材料參數(shù)

氣瓶使用的34CrMo4H鋼是在34CrMo4化學(xué)成分的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，該鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表4，經(jīng)材料性能試驗(yàn)?zāi)軌驖M(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求[8]。該材料彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度Reg≥ 980 MPa，抗拉強(qiáng)度Rmg≥1 100 MPa。計(jì)算氣瓶在工作壓力(20 MPa)和水壓試驗(yàn)壓力(30 MPa)工況時(shí)的應(yīng)力分布，按線(xiàn)彈性模型處理；而在計(jì)算最小爆破壓力(48 MPa)下的應(yīng)力分布時(shí)，需考慮氣瓶的非線(xiàn)性和幾何非線(xiàn)性。將材料的工程應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變后，使用的多線(xiàn)性等強(qiáng)化模型建立氣瓶材料的彈塑性本構(gòu)如表5所示[9]，使用該模型后材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示。

表4 34CrMo4H鋼化學(xué)成分 %

表5 多線(xiàn)性等向強(qiáng)化模型數(shù)據(jù)

圖3 34CrMo4H鋼的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

2.3 有限元模型及邊界條件

有限元模型的邊界條件是由氣瓶的實(shí)際約束條件和加載條件決定的[10]。本文采用ABAQUS有限元軟件，根據(jù)高壓氣瓶底部的結(jié)構(gòu)特征和受力特點(diǎn)，對(duì)模型施加邊界約束條件：上截面施加y軸固定約束，對(duì)稱(chēng)截面上采用完全約束。瓶底內(nèi)壁面按分析需要施加均勻載荷(壓力)，鑒于結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱(chēng)性，為了減少計(jì)算量，因此建模時(shí)只需取1/4模型(見(jiàn)圖4)。氣瓶底部結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了能夠保證計(jì)算精度，底部及過(guò)渡圓弧段的網(wǎng)格需作加密處理，因此，模型包含1 162個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和990個(gè)單元數(shù)(見(jiàn)圖5)。

圖4 載荷及邊界條件

圖5 有限元網(wǎng)格模型及分析路徑

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在受力情況下，氣瓶瓶底易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，為了更好地分析瓶底應(yīng)力分布情況，文中定義3條路徑A-A，B-B和C-C，如圖5所示，其中，路徑A-A為筒體徑向厚度方向，路徑B-B為過(guò)渡圓弧方向，路徑C-C為底部凹底軸向厚度方向。根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))中規(guī)定，對(duì)氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核[11]。各類(lèi)應(yīng)力強(qiáng)度的許用極限如表6所示。

根據(jù)表3的幾何結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)有限元數(shù)值模擬，可以得到一系列應(yīng)力云圖，如圖6所示。

表6 應(yīng)力分類(lèi)及許用極限

注：Pm-一次總體薄膜應(yīng)力；PL-一次局部薄膜應(yīng)力；Pb-一次彎曲應(yīng)力；Q-二次應(yīng)力；F-峰值應(yīng)力;Sm-材料設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值，本文Sm=616.4 MPa;K-載荷組合系數(shù)，在不需要同時(shí)考慮風(fēng)載荷和地震載荷的情況下，K取1.0；Sa取決于它的應(yīng)力差值的幅度及作用次數(shù)，該值應(yīng)根據(jù)JB 4732—1995附錄C-1中由疲勞曲線(xiàn)得到的許用值進(jìn)行評(píng)定

圖6 各工況載荷條件下等效應(yīng)力云圖

由圖6可以看出，在工作壓力(20 MPa)和水壓試驗(yàn)壓力(30 MPa)工況下，瓶底結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力均出現(xiàn)在筒體與凹底過(guò)渡圓弧內(nèi)壁位置，分別達(dá)到532.1 MPa和797.4 MPa,小于材料的屈服強(qiáng)度(980 MPa)；而在最小爆破壓力(48 MPa)工況下,最大Mises應(yīng)力(1 033 MPa)同樣出現(xiàn)在筒體與凹底過(guò)渡圓弧內(nèi)壁位置，這時(shí)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，但低于材料的抗拉強(qiáng)度(1 100 MPa)。從瓶底結(jié)構(gòu)各路徑的Mises應(yīng)力分析(見(jiàn)圖7)可以看出，在沿筒體厚度方向路徑A-A，Mises應(yīng)力略逐漸降低，但應(yīng)力變化值不大；在瓶底過(guò)渡圓弧處路徑B-B，屬于應(yīng)力集中最明顯處，Mises應(yīng)力值先減小后增大；在凹底軸向厚度方向路徑C-C，也稍微出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從內(nèi)壁到外壁，應(yīng)力值逐漸增大，但其最大Mises值小于筒體與凹底過(guò)渡圓弧內(nèi)壁的應(yīng)力值。從應(yīng)力結(jié)果看，最大Mises應(yīng)力為1 033 MPa，小于氣瓶材料的真應(yīng)力-應(yīng)變強(qiáng)度極限(1 100 MPa)。由Mises強(qiáng)度條件評(píng)定，所設(shè)計(jì)氣瓶的爆破壓力還有6.1%的安全裕量。

圖7 內(nèi)壓 48 MPa時(shí)瓶底結(jié)構(gòu)各路徑的Mises應(yīng)力分布

由于在各工況載荷條件下，氣瓶瓶底應(yīng)力分布不同，根據(jù)表6進(jìn)行強(qiáng)度校核。選擇在48 MPa內(nèi)壓條件下對(duì)瓶底進(jìn)行分析，瓶底過(guò)渡圓弧處屬于結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，很容易產(chǎn)生較大的一次局部薄膜應(yīng)力及二次應(yīng)力，所以只需要對(duì)表6中的SⅡ和SⅣ進(jìn)行校核，其他應(yīng)力強(qiáng)度可以不進(jìn)行校核[12]。將路徑B-B(應(yīng)力最大處)應(yīng)力線(xiàn)性化可得到一次局部薄膜應(yīng)力PL、二次應(yīng)力Q、一次+二次應(yīng)力及總應(yīng)力。路徑B-B應(yīng)力線(xiàn)性化結(jié)果如表7所示，其中，SⅡ=PL=821.5 MPa<1.5KSm(924.6 MPa)，SⅣ=PL+Pb+Q=1 062.6<3KSm(1 849.2 MPa)，因此，在最小爆破壓力下，氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 路徑B-B應(yīng)力線(xiàn)性化結(jié)果

3.2 氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前，在機(jī)械產(chǎn)品研究領(lǐng)域，通過(guò)ISIGHT集成CAD和CAE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到更好的應(yīng)用。本節(jié)采用ISIGHT集成CAD和ABAQUS軟件對(duì)高壓氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[13]，該集成軟件通過(guò)搭建計(jì)算機(jī)協(xié)同集成智能優(yōu)化技術(shù)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元應(yīng)力分析的自動(dòng)化，并基于有限元應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)瓶底結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)瓶底最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

對(duì)于規(guī)格為?229 mm-50 L的高壓氣瓶的瓶底部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)以及瓶底結(jié)構(gòu)主要尺寸(見(jiàn)表3)設(shè)定參數(shù)初始值，氣瓶的凹形底部分的體積和最大Mises應(yīng)力值作為目標(biāo)函數(shù)，選擇R1，S1，S2，S3，R,H作為優(yōu)化變量。瓶底結(jié)構(gòu)優(yōu)化前產(chǎn)品參數(shù)如表8所示，優(yōu)化過(guò)程中氣瓶瓶底部分的體積用V表示，最大Mises應(yīng)力用Smax表示。

氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)束后，優(yōu)化的結(jié)果可以在ISIGHT的Graphs菜單中以圖表形式查看，也能在History菜單中以列表形式查看。通過(guò)對(duì)優(yōu)化結(jié)果篩選，選擇一組最佳優(yōu)化尺寸?？紤]企業(yè)的氣瓶制造工藝、模具尺寸要求，并進(jìn)一步利用優(yōu)化后的瓶底模型的強(qiáng)度裕量，增大氣瓶的容重比，對(duì)優(yōu)化后的瓶底模型的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了修正，修正后的瓶底結(jié)構(gòu)尺寸如表9所示。對(duì)修正后的瓶底結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，得到在工作壓力(20 MPa)和爆破壓力(48 MPa)下的有限元應(yīng)力分析結(jié)果如圖8,9所示。

表8 瓶底結(jié)構(gòu)優(yōu)化前產(chǎn)品參數(shù)

表9 瓶底結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后及修正后產(chǎn)品參數(shù)比較(工作壓力20 MPa)

由圖8,9可以看出，修正后的瓶底結(jié)構(gòu)在工作壓力下的最大應(yīng)力為563.1 MPa，小于氣瓶材料的屈服強(qiáng)度(980 MPa)；在爆破壓力下的最大應(yīng)力為1 083 MPa，小于氣瓶材料的抗拉強(qiáng)度(1 100 MPa)。最大應(yīng)力均出現(xiàn)在瓶體與凹底過(guò)渡圓弧內(nèi)壁位置。按Mises強(qiáng)度條件評(píng)定，修正后的瓶底結(jié)構(gòu)的爆破壓力還有1.5%的相對(duì)余量。

圖8 工作壓力20 MPa時(shí)瓶底模型的應(yīng)力分布云圖

圖9 爆破壓力48 MPa時(shí)瓶底模型的應(yīng)力分布云圖

通過(guò)對(duì)高壓氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，與原瓶底結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的瓶底結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減輕9.29%。對(duì)優(yōu)化后的瓶底結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正后，增大了氣瓶的容重比，且其瓶底結(jié)構(gòu)的質(zhì)量仍小于原瓶底結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)采用自主研發(fā)的三輪冷旋壓機(jī)生產(chǎn)氣瓶，可以縮小氣瓶的壁厚偏差，改善材料性能，提高氣瓶的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)氣瓶易在底部過(guò)渡圓弧處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在最小爆破壓力下對(duì)規(guī)格?229 mm-50L氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，該結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且留有一定的安全裕量。

(3)通過(guò)對(duì)氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到了一種比較合理的氣瓶結(jié)構(gòu)，為冷旋壓高壓氣瓶的優(yōu)化改進(jìn)提供了技術(shù)支撐。