王剛 于波

中國核電工程有限公司河北分公司 石家莊050021

基于ABAQUS的貯箱金屬膜片的優(yōu)化設(shè)計

王剛 于波

中國核電工程有限公司河北分公司 石家莊050021

金屬膜片是推進劑貯箱重要的組成部分，工作時，在外部氣壓作用下金屬膜片從邊緣處開始翻轉(zhuǎn)，擠壓推進劑將其排出，為外部裝置提供驅(qū)動力。由于金屬膜片翻轉(zhuǎn)試驗代價太高，在工程應(yīng)用中不可能通過做大量實驗來驗證，往往依靠數(shù)值模擬的方法經(jīng)驗性地獲得膜片翻轉(zhuǎn)時的數(shù)據(jù)。因此，采用簡單有效的數(shù)值計算方法可靠地模擬金屬膜片的翻轉(zhuǎn)過程對于推進劑貯箱的設(shè)計和應(yīng)用具有重要的意義。

the tank; metal diaphragm; numerical simulation

引言

貯箱又稱儲罐，主要指用于儲存或盛裝氣體、液體等介質(zhì)的設(shè)備。在核電、化工、石油、航天等行業(yè)可以廣泛應(yīng)用，如推進劑儲罐、液化石油氣儲罐、石油儲罐等。在一些高危區(qū)域，例如，受核輻射區(qū)域以及太空領(lǐng)域，人們無法靠近，因此就需要一種自動排放裝置將危險化學液體排出。近年來，越來越多的科學家投入到金屬膜片貯箱的研究當中。

在金屬膜片貯箱內(nèi)部，膜片與貯箱殼體密封連接，工藝上一般靠焊接來完成，正常工作時外部氣體通過貯箱的進氣口進入腔體，然后增壓氣體擠壓膜片，將推進劑通過貯箱的出口排出，擠入輸送管路，實現(xiàn)外部環(huán)境推進劑的供應(yīng)，工作期間膜片需經(jīng)歷從上半球翻轉(zhuǎn)到下半球的彈塑性變形[1,2]。近幾年，金屬膜片貯箱以其可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在核電、化工等領(lǐng)域。目前國內(nèi)貯箱設(shè)計制造水平不是很高，普遍存在安全余量較大，生產(chǎn)出來的貯箱和國外同類型的貯箱相比，有比較大的差距，因此對推進劑貯箱進行相關(guān)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計是必要的。所以有必要用數(shù)值模擬對貯箱膜片進行預(yù)先數(shù)值模擬。

1 有限元模型及邊界條件

金屬膜片基本尺寸如圖5所示。膜片材料為鋁材料，膜片外緣型面為球形，半徑r，膜片厚度為δ，δ隨離膜片頂點距離h的變化而變化，膜片翻邊半徑r1，翻邊厚度δ1。

本文中，膜片基本幾何尺寸如表一所示。

由于膜片翻邊與貯箱殼體交接處為焊接結(jié)構(gòu)，所以對膜片邊緣作固支處理。

2 模擬參數(shù)的設(shè)定及載荷

金屬膜片的工作工程涉及翻轉(zhuǎn)，變形較大，所以在模擬過程中，必須考慮塑性變形，因而須在材料參數(shù)中引入關(guān)于塑性變形數(shù)據(jù)。膜片的材料為鋁，其機械性能為：抗拉強度，屈服強度，彈性模量E=69GPa,泊松比μ=0.3，延伸率39%。另外膜片是在內(nèi)外表面的壓力共同作用下發(fā)生的翻轉(zhuǎn)變形（P1>P2），因此將外載荷簡化為作用在外表面的壓力差（△P=P1-P2）。在本文中，工況設(shè)置中取壓力差△P=0.25MPa。

表一

3 數(shù)值模擬與分析

采用大型非線性有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值分析，選用四邊形單元劃分，選用二次減縮積分殼單元S8R，這是一種厚殼單元，在Mesh模塊中，周向布置60個單元，母線布置64個單元，整個模型共3840個單元，11521個結(jié)點。膜片主要翻轉(zhuǎn)過程如下：

從整個膜片變形圖可以看出，由于彎邊處厚度最小，膜片從“赤道”處開始翻轉(zhuǎn)，一開始呈軸對稱翻轉(zhuǎn)，當整個彎邊翻轉(zhuǎn)過來后，膜片逐漸呈現(xiàn)非軸對稱變形，一側(cè)翻轉(zhuǎn)較快，另一側(cè)翻轉(zhuǎn)較慢。在膜片相同高度的圓周上取兩個節(jié)點，編號為178和2056的兩個節(jié)點，兩點是同一圓周直徑的兩個端點，以縱坐標表示兩個節(jié)點的軸向位移，橫坐標表示膜片壓力，建立位移-壓力關(guān)系曲線，如圖2所示。

從圖2中可以看到，在膜片壓力為0.17MPa時兩節(jié)點的下降速度開始不一樣，之后在一段時間內(nèi)，178節(jié)點下降速度較慢，2060節(jié)點下降速度較快，甚至超過了178節(jié)點的下降速度，這分別代表了膜片的兩邊的變形規(guī)律，宏觀上表現(xiàn)出來的就是我們在變形圖中所看到的情況。在最后變形結(jié)束時，我們看到兩條曲線并沒有重合，說明膜片在變形過程中可能出現(xiàn)小范圍的屈曲造成的。實際上從宏觀變形圖中也可以看到小范圍屈曲，如圖3所示。

圖3中兩條粗線之間的整個圓周區(qū)域即為產(chǎn)生局部屈曲的區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)任取一節(jié)點，節(jié)點編號為2186，以這一節(jié)點的徑向位移為縱坐標，膜片所受壓力為橫坐標，得到位移-膜片壓力關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4中看出，開始隨著膜片壓力的增加，該點徑向位移始終為零，說明膜片從“赤道”處緩慢平穩(wěn)地進行翻轉(zhuǎn)，從前面的變形圖中也可以看到，在理想翻轉(zhuǎn)情況下，隨著膜片向下翻轉(zhuǎn)，已翻轉(zhuǎn)和未翻轉(zhuǎn)膜片間夾角變化不大，翻轉(zhuǎn)過程中壓差變化也不會很大。但是當膜片壓力增加到一定數(shù)值，膜片部分區(qū)域開始產(chǎn)生徑向位移，并且在一定時間內(nèi)這種徑向位移往復(fù)擺動，最終發(fā)生局部屈曲，由于這種屈曲是軸對稱行為，且只是在局部區(qū)域產(chǎn)生的，從圖中看出，發(fā)生失穩(wěn)時最大離面徑向位移只有14.3mm，與膜片的幾何尺寸相比很小，因此，經(jīng)過局部小的失穩(wěn)階段后不影響膜片的整體翻轉(zhuǎn)過程，最終達到比較理想的翻轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

這種幾何參數(shù)下的膜片，整個翻轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)，雖然膜片中間段出現(xiàn)小的凹陷的部分，局部區(qū)域發(fā)生一點失穩(wěn)，但對總體布局影響不大，變形過程中也沒有出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，最后膜片也沒有發(fā)生破壞行為，所以該膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足工程中的應(yīng)用。在實驗中，一些小范圍的局部失穩(wěn)隨著載荷的加大，在其他區(qū)域產(chǎn)生的一些小的擾動將導致多處產(chǎn)生局部屈曲，最后整個膜片產(chǎn)生過多的褶皺，造成整體失效破壞，因此應(yīng)當合理設(shè)計膜片，避免發(fā)生屈曲。

[1]廖劍暉，莊茁.圓球端柱形金屬膜片貯箱的屈曲分析.ABAQUS會議論文集

[2]朱智春，趙和明，羅斌.金屬膜片貯箱的膜片變形分析.推進技術(shù).1999年10月第20卷第5期：77-79

The metal diaphragm is important component of the propellant tank. The metal diaphragm reverses itself by rolling from the edge in a controlled manner under the action of an applied pressure.Rolling metal diaphragm as a positive expulsion device in propellant tanks provides enough feul for external environment. Due to the high cost of experiment, it is very important to study the rolling process of the metal diaphragm by numerical method for design and application of the propellant tank.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.047

貯箱；金屬膜片；數(shù)值模擬