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        冷旋壓高壓氣瓶瓶底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

        2019-11-08 07:04:44
        壓力容器 2019年9期
        關(guān)鍵詞:瓶底旋壓氣瓶

        (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,通過試驗(yàn)研究確定了冷旋壓工藝參數(shù),見表1。冷旋壓以后,瓶坯檢驗(yàn)結(jié)果見表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)成分見表4,經(jīng)材料性能試驗(yàn)?zāi)軌驖M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),需考慮氣瓶的非線性和幾何非線性。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)變曲線如圖3所示。

        表4 34CrMo4H鋼化學(xué)成分 %

        表5 多線性等向強(qiáng)化模型數(shù)據(jù)

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

        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)稱性,為了減少計(jì)算量,因此建模時(shí)只需取1/4模型(見圖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)在筒體與凹底過渡圓弧內(nèi)壁位置,這時(shí)應(yīng)力超過材料的屈服強(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)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表7 路徑B-B應(yīng)力線性化結(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)(見圖2)以及瓶底結(jié)構(gòu)主要尺寸(見表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。通過對(duì)優(yōu)化結(jié)果篩選,選擇一組最佳優(yōu)化尺寸。考慮企業(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)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,并且留有一定的安全裕量。

        (3)通過對(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。

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