深冷壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化過程數(shù)值分析

景鵬飛 謝陽紫 董鑫

摘 ? ? ?要：通過對滿足《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》（T/CATSI05001—2018）及《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)規(guī)定》（GB/T18442.7—2017）要求的樣品容器進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化工藝數(shù)值仿真，以掌握采用應(yīng)變強(qiáng)化工藝造成筒體的塑性變形的部位及變形量的規(guī)律。

關(guān) ?鍵 ?詞：壓力容器;應(yīng)變強(qiáng)化;應(yīng)變;應(yīng)力;有限元;強(qiáng)度

中圖分類號：TQ 018 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2347-05

Abstract： Taking the pressure ?vessel meeting T/CATSI05001—2018 “Transportable vacuum insulated cryogenic pressure vessels—requirement of pressure strengthening for inner vessels" and GB/T18442.7—2017 “Static vacuum insulated cryogenic pressure ?vessels — Part 7： Rules of pressure strengthening for inner vessels” as a research object， strain strengthening processing numerical simulation was carried out in order to grasp the rules of the position and the amount of deformation caused by the plastic deformation of the cylinder body by the strain strengthening process.

Key words： Strain-strengthening; Strain ; Stress ; Finite element ; Strength

奧式體不銹鋼因其特殊的構(gòu)造，應(yīng)力應(yīng)變行為不同于普通鋼材，無明顯的屈服平臺，屈服強(qiáng)度和強(qiáng)拉強(qiáng)度之間應(yīng)變硬化段較長，室溫延伸率≥40%。常規(guī)壓力容器是基于彈性設(shè)計準(zhǔn)則設(shè)計的，通過限定危險截面應(yīng)力值低于材料許用應(yīng)力值，以保證容器的安全使用，如需要增強(qiáng)容器承載能力，常通過增加厚度、降低應(yīng)力的方法，需消耗大量的鋼材，而奧式體不銹鋼本身價格較高，傳統(tǒng)壓力容器設(shè)計會造成成本較高的情況[1]。為適應(yīng)彈性設(shè)計準(zhǔn)則設(shè)計的要求，通過強(qiáng)化加載、卸載，以永久性塑性變形奧式體不銹鋼材料，提高奧式體不銹鋼屈服強(qiáng)度，此種應(yīng)變強(qiáng)化的方法，可減少20%～50%的鋼材用量[2]，大大地提高了經(jīng)濟(jì)效益，在移動式真空絕熱深冷壓力容器的內(nèi)容器中有很大的使用空間。

1 ?分析

根據(jù)《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》（T/CATSI05001—2018），采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)制造深冷壓力容器前，制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)先試制樣品容器，對樣品容器進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化工藝驗證，以保證整個工藝過程的板材得到合格的強(qiáng)化。強(qiáng)化工藝過程中包括加壓強(qiáng)化、保壓和卸載，以及重新加載到耐壓試驗壓力、設(shè)計壓力[3]。本文通過對滿足《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》（T/CATSI05001—2018）要求的樣品容器進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化工藝數(shù)值仿真，其結(jié)果將與試驗結(jié)果對比，以掌握采用應(yīng)變強(qiáng)化工藝造成筒體的塑性變形的部位及變形量的規(guī)律。

2 ?設(shè)計參數(shù)

本文根據(jù)《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》（T/CATSI05001—2018）及《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)規(guī)定》（GB/T18442.7—2017）附錄C的要求[4]，以某汽車制造有限公司生產(chǎn)試驗的樣品容器為例，進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化工藝數(shù)值仿真。樣品容器的設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)要求滿足《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求》（T/CATSI ? ? ?05001—2018）及《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)規(guī)定》（GB/T ? ?18442.7—2017）附錄C的要求。設(shè)計的樣品容器材料參照 ASME SA-240 標(biāo)準(zhǔn)選擇牌號為 304 奧氏體不銹鋼，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。樣品容器設(shè)計參數(shù)見表 1，簡圖見圖1。

3 ?非線性力學(xué)分析模型

在應(yīng)變強(qiáng)化壓力加載過程中，樣品容器殼體材料大部分區(qū)域進(jìn)入塑性階段，相關(guān)部分產(chǎn)生了明顯的塑性變形。因此分析時必須考慮材料的非線性特性。在進(jìn)行數(shù)字模擬時，為了通過數(shù)值仿真模擬樣品容器的應(yīng)變強(qiáng)化過程，本報告采用大型有限元軟件ANSYS WORKBENCH進(jìn)行非線性有限元分析。在進(jìn)行有限元分析前，用材料的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線構(gòu)建樣品容器的本構(gòu)模型，同時考慮結(jié)構(gòu)大變形帶來的幾何非線性。

3.1 ?實體模型

由于樣品容器的進(jìn)出水口、壓力表口接管開孔直徑所占部分的面積均較小，其應(yīng)力應(yīng)變水平較低，在實體建模過程中將忽略。樣品容器的實體模型如圖2所示。

3.2 ?材料本構(gòu)模型

ANSYS WORKBENC提供了多種塑性材料本構(gòu)模型，包括雙線性等向強(qiáng)化模型、多線性等向強(qiáng)化模型、雙線性隨動模型、多線性隨動強(qiáng)化模型等?？紤]到實際應(yīng)變強(qiáng)化過程中，樣品容器材料大部分進(jìn)入塑性階段，分析時必須考慮材料的非線性特性，因此本文中選用適用于大變形分析的多線性等向強(qiáng)化模型，并采用材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線（真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線由同批次板材通過拉伸試驗得到），如圖3所示。

3.3 ?網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格采用高階三維實體單元Solid186，該單元是含中節(jié)點的3-D六面體單元。它能夠模擬不規(guī)則形狀的單元而精度沒有損失，在準(zhǔn)確的彈塑性計算過程中保持較高的精度。同時，Solid186單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變等能力，適合于本文所涉及的樣品容器應(yīng)變。

網(wǎng)格采用掃略和單元尺寸控制相結(jié)合的方式對幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格化，如圖4所示。對于筒體加強(qiáng)圈處、筒體和封頭之間的總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)細(xì)化網(wǎng)格。

3.4 ?有限元模型邊界條件加載

按照《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)規(guī)定》（GB/T 18442.7—2017）附錄C中的要求，罐體不設(shè)約束性條件。筒體內(nèi)壁施加壓力，加壓過程為升壓至設(shè)計壓力-升壓至強(qiáng)化壓 ?力-卸載壓力-再次升壓至設(shè)計壓力-卸載壓力。

4 ?應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果

4.1 ?強(qiáng)化壓力下的結(jié)果

根據(jù)有限元模型模擬計算，得到經(jīng)過加壓、保壓直至變形穩(wěn)定的強(qiáng)化壓力下樣品容器的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。強(qiáng)化壓力下，樣品容器整體的Von Mises等效應(yīng)力、等效彈塑性應(yīng)變見圖5和圖6。強(qiáng)化壓力下容器各處的最大Von Mises應(yīng)力和最大等效彈塑性應(yīng)變見表2。

根據(jù)圖5、圖6和表2，對強(qiáng)化壓力下樣品容器的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。筒體遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的最大等效彈塑性應(yīng)變?yōu)?.74%，且每個筒節(jié)的最大環(huán)向變形均發(fā)生在中間筒節(jié)與筒節(jié)的焊縫部位，實施應(yīng)變強(qiáng)化工藝時可在此處對筒體周長進(jìn)行測量。在整個強(qiáng)化過程中，彈塑性分析結(jié)果收斂，容器不會出現(xiàn)強(qiáng)度破壞的失效現(xiàn)象[5]。

4.2 ?強(qiáng)化壓力卸載后的結(jié)果

樣品容器在強(qiáng)化壓力下產(chǎn)生了永久的塑性變形，在整體上有效地提高了各結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度。壓力卸載時，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐漸減低，當(dāng)壓力為零時，筒體部位應(yīng)力接近于零，而局部區(qū)域存在殘余應(yīng)力。筒體的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.6%，見圖7。

4.3 ?加載至耐壓試驗壓力后的結(jié)果

卸載后再加載至耐壓試驗壓力時，樣品容器整體的Von Mises等效應(yīng)力和等效彈性應(yīng)變分別見圖8和圖9。耐壓試驗壓力下容器各處的最大Von Mises應(yīng)力和最大等效彈性應(yīng)變見表3。

根據(jù)圖8、圖9、表3分析可知，樣品容器加載到耐壓試驗壓力時，容器內(nèi)沒有產(chǎn)生新的塑性變形。在整個強(qiáng)化過程中，容器不會出現(xiàn)強(qiáng)度破壞的失效現(xiàn)象。

4.4 ?加載至設(shè)計壓力下的計算結(jié)果

再次加載到設(shè)計壓力，此時樣品容器整體的Von Mises等效應(yīng)力和等效彈性應(yīng)變分別見圖10和圖11以及表4。在加載到設(shè)計壓力過程中，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.10。

5 ?結(jié) 論

采用有限元力學(xué)分析模型對樣品容器進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化過程的非線性分析，得到結(jié)果如下：

1）強(qiáng)化壓力下，筒體最大Von Mises等效應(yīng)力為316 MPa，最大等效彈塑性應(yīng)變?yōu)?.74%，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.58%，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.16%，筒節(jié)的最大環(huán)向變形均發(fā)生在中間偏筒節(jié)與筒節(jié)的焊縫部位，實施應(yīng)變強(qiáng)化工藝時可在此處對筒體周長進(jìn)行測量。

2）強(qiáng)化壓力卸載后，容器筒體應(yīng)力接近為零，筒體的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.58%。

3）加載到耐壓試驗壓力時，筒體最大Von Mises等效應(yīng)力為278 MPa，該過程中容器沒有產(chǎn)生新的塑性變形，耐壓試驗壓力下筒體最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.14%。

4）加載到設(shè)計壓力時，筒體最大Von Mises等效應(yīng)力為196 MPa，該過程中容器沒有產(chǎn)生新的塑性變形，設(shè)計壓力下筒體最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.10%，強(qiáng)化過程基本滿足要求。

5）有限元力學(xué)分析模型對樣品容器進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化過程的非線性分析結(jié)果與最終試驗結(jié)果偏差較小，對強(qiáng)化試驗有一定的預(yù)估和指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪志福，孔韋海. 奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)探討[J]. 化學(xué)工程與裝備，2013（12）：106-107.

[2]陳挺，王步美，徐濤，等. 奧氏體不銹鋼壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展及國外標(biāo)準(zhǔn)比較[J]. 機(jī)械工程材料，2012，36（3）：1-3.

[3] T/CATSI 05001—2018，動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)要求[S].

[4]GB/T 18442.7—2017， 固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內(nèi)容器應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)規(guī)定[S] .

[5]ASME VIII Division 2，Alternative rules for construction of pressure vessels[S] .

[6]JB/T 4732—1995，鋼制壓力容器—分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S] .