高壓制冷氣瓶的輕量化設(shè)計與分析

□ 江 晨 □ 陳 風(fēng) □ 丁 森 □ 胡圣鑫 □ 郁佳敏 □ 江春月 □ 吳君輝

上海航天精密機(jī)械研究所 上海 201600

1 設(shè)計與分析背景

高壓制冷是紅外熱成像制冷技術(shù)中的一種常用物理制冷方法。高壓制冷裝置能夠向紅外探測器制冷,通過低溫環(huán)境降低紅外探測器的噪聲,提高紅外探測器的靈敏度和分辨率。

高壓制冷裝置的主要設(shè)備為高壓制冷氣瓶,瓶體內(nèi)部存儲高壓氣體,具有一定的危險性。因此,在設(shè)計瓶體結(jié)構(gòu)時,需要保證瓶體在工作壓力作用下的強度,同時具備一定的安全因數(shù)。以往設(shè)計時都是從選擇高強度材料、增大壁厚等方面來保證瓶體強度。國內(nèi)外學(xué)者針對采用高強度材料的高壓氣瓶開展了許多研究。1982年,印度研究機(jī)構(gòu)選用 TC4 材料,成功研制了能夠承載99.2 MPa爆破壓力的高壓氣瓶。2001年,北京航空材料技術(shù)研究所采用TC4材料,研制了能夠承載45 MPa的球形高壓氣瓶,發(fā)現(xiàn)TC4材料的生產(chǎn)工藝過程會影響球形高壓氣瓶的承壓能力,需嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝過程。華中科技大學(xué)李杰針對承載40 MPa的鈦合金高壓氣瓶開展設(shè)計和仿真研究,從理論上證明了使用鈦合金材料制作承載40 MPa高壓氣瓶的可行性。隨著科學(xué)技術(shù)的迭代和發(fā)展,航空航天產(chǎn)品的設(shè)計已經(jīng)趨向于輕量化,對高壓制冷氣瓶的輕量化提出了新的要求,單純通過使用高強度材料來減小質(zhì)量已經(jīng)不能滿足要求。在保證瓶體強度的前提下,通過改變瓶體結(jié)構(gòu)最大限度減小瓶體質(zhì)量來滿足使用要求,已成為新的研究方向。

筆者針對高壓制冷氣瓶,在保證容積、接口關(guān)系、承載能力的前提下,開展高壓制冷氣瓶的輕量化設(shè)計,并對相同容積下不同內(nèi)徑的高壓制冷氣瓶進(jìn)行理論計算和對比分析,通過試驗驗證。

2 高壓制冷氣瓶尺寸

高壓制冷氣瓶的尺寸計算包括瓶身厚度和端蓋厚度兩個部分,氣瓶瓶身厚度δ1和端蓋厚度δ2依據(jù)JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計,公式如下:

(1)

(2)

式中:pc為工作壓力;D1為瓶體內(nèi)徑;K為載荷組合因數(shù),取1;σc為設(shè)計應(yīng)力強度,取抗拉強度的1/2.5;Ks為結(jié)構(gòu)特征因數(shù),取0.1。

3 高壓制冷氣瓶輕量化計算

高壓制冷氣瓶簡化模型如圖1所示,實心部分體積V為:

▲圖1 高壓制冷氣瓶簡化模型

(3)

整理后得:

(4)

由于內(nèi)腔容積恒定為V1,因此有:

(5)

(6)

高壓制冷氣瓶實心部分體積V是關(guān)于D1的函數(shù),可知函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)V′(D1)大于0,表明隨著D1的增大,實心部分體積會增大,即質(zhì)量變大。由理論計算分析可知,內(nèi)腔直徑越小,外形越趨向于細(xì)長,高壓制冷氣瓶的質(zhì)量越小。

某高壓制冷氣瓶材料為0Cr17Ni4Cu4Nb,性能參數(shù)見表1。

表1 高壓制冷氣瓶性能參數(shù)

根據(jù)式(1)、式(2),不同瓶體內(nèi)徑下高壓制冷氣瓶的結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

由表2可知,高壓制冷氣瓶內(nèi)徑越大,質(zhì)量越大。

表2 高壓制冷氣瓶結(jié)構(gòu)尺寸

4 強度分析

拉梅基于彈性理論推導(dǎo)得到氣瓶瓶壁的三向應(yīng)力,即周向應(yīng)力σθ、徑向應(yīng)力σr、軸向應(yīng)力σz的計算公式,為高壓制冷氣瓶的爆破形態(tài)分析提供了有效方法。三向應(yīng)力公式如下:

(7)

(8)

(9)

式中:Pi為瓶體理論爆破壓強;P0為外部壓強,取P0為0;d為瓶體的任意直徑,D1?d?D0。

筆者采用塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則作為失效依據(jù)。塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則是以瓶體內(nèi)外壁整體屈服強度作為瓶體達(dá)到極限承載能力的一種強度設(shè)計準(zhǔn)則,認(rèn)為瓶體內(nèi)壁屈服而其它部分處于彈性狀態(tài)時,仍可以繼續(xù)提高承載能力。由三向應(yīng)力公式可以看出,周向應(yīng)力數(shù)值最大,高壓制冷氣瓶的理論爆破形式應(yīng)為周向撕裂狀。瓶體內(nèi)徑材料在內(nèi)壓載荷作用下應(yīng)力值較大,率先達(dá)到屈服強度極限,而隨著內(nèi)壓載荷的增大,塑性區(qū)域逐漸擴(kuò)大,直至瓶體外徑材料也達(dá)到屈服強度極限,瓶體才會喪失繼續(xù)承載能力,發(fā)生爆破失效。

根據(jù)周向應(yīng)力計算公式,可以得出不同瓶體內(nèi)徑高壓制冷氣瓶的理論爆破壓強,見表3。高壓制冷氣瓶采用的沉淀硬化不銹鋼材料硬度高,周向應(yīng)力取值為材料抗拉強度1 150 MPa。

表3 高壓制冷氣瓶理論爆破壓強

經(jīng)過以上分析計算可知,不同瓶體內(nèi)徑高壓制冷氣瓶爆破壓強基本一致,約在143 MPa工況時發(fā)生爆破,爆破載荷均大于2.5倍工作壓力,滿足設(shè)計要求。

5 試驗驗證

針對瓶體內(nèi)徑為47 mm、50 mm兩種尺寸的高壓制冷瓶,分別進(jìn)行液體壓力爆破試驗,爆破試驗件的材料參數(shù)與表1一致,爆破試驗結(jié)果如圖2所示。

由爆破試驗可知,內(nèi)徑為47 mm的試驗件,爆破壓強為151.86 MPa;內(nèi)徑為50 mm的試驗件,爆破壓強為152.23 MPa。

▲圖2 爆破試驗結(jié)果

爆破試驗結(jié)果與理論計算的爆破壓強相近。由爆破試驗結(jié)果圖片可以看出,爆破口成撕裂狀,與三向應(yīng)力公式理論爆破形式為周向撕裂狀一致。

6 結(jié)束語

筆者針對高壓制冷氣瓶展開輕量化設(shè)計,通過對相同容積下不同內(nèi)徑的高壓制冷氣瓶進(jìn)行理論計算、對比分析和試驗驗證,得出以下結(jié)論:

(1)相同容積的高壓制冷氣瓶,內(nèi)徑越小,結(jié)構(gòu)形狀越細(xì)長,質(zhì)量越小;

(2)相同容積不同內(nèi)徑的高壓制冷氣瓶,爆破壓強基本一致,同時滿足安全因數(shù)要求,表明采用輕量化設(shè)計基本不會影響爆破壓強。

爆破試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致,驗證了理論計算的正確性。

綜合輕量化設(shè)計與分析可知,在給定的工作壓強和安全因數(shù)條件下,減小高壓制冷氣瓶內(nèi)徑,可以實現(xiàn)輕量化設(shè)計。但內(nèi)徑不可能無限縮小,可以根據(jù)具體的使用工況和機(jī)械接口關(guān)系,確定合適的內(nèi)徑,以達(dá)到輕量化設(shè)計的要求。