吉 然,陳超飛,何佳豪,崔夢祺,陳代芬,劉少俊,3
(1.江蘇科技大學(xué)能源與動力學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2.中船重工第七〇三研究所無錫分部,江蘇 無錫 214026)(3.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室國家環(huán)境保護(hù)燃煤大氣污染控制工程技術(shù)中心,浙江 杭州 310027)
制冷系統(tǒng)在艦船航行過程中為人員正常工作和物資儲存提供基本保障,制冷劑是制冷系統(tǒng)中必不可少的一部分。艦船在復(fù)雜的沖擊環(huán)境中,不可避免地會發(fā)生冷媒的泄漏,以一體式空調(diào)系統(tǒng)為例,每發(fā)生15%的制冷劑設(shè)計量泄漏[1],能效比(coefficient of performance,COP)就降低5%,從而影響其正常工作,因此需要及時補(bǔ)充制冷劑。由此可知,艦船制冷劑儲存容器在設(shè)計時,必須考慮航行中的船體顛簸使一些部件或設(shè)備產(chǎn)生過大應(yīng)力造成永久斷裂或者形變[2],從而出現(xiàn)制冷劑泄漏的情況。本文利用動態(tài)設(shè)計分析方法(dynamic design analysis method,DDAM)和動態(tài)時域仿真,對參照壓力容器[3]標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計出的制冷劑儲罐進(jìn)行研究,考察最大應(yīng)力響應(yīng),確定其強(qiáng)度是否滿足要求。
本文設(shè)計可重復(fù)充裝制冷劑R404A的14 L艦船用制冷劑儲罐,其工作壓力為0.5 MPa,設(shè)計壓力為2.0 MPa,工作溫度和設(shè)計溫度都為-10~40 ℃,其主要設(shè)計參數(shù):儲罐的圓筒壁外徑D0為200 mm,工作容積V為14 L,高度L為450 mm。儲罐為單極孔的合金制儲罐。
對于船用設(shè)備,應(yīng)首先采用強(qiáng)度高、延伸率大于10%的材料,避免使用脆性以及對缺口敏感的材料。本文選取的材料為TC4鈦合金,TC4強(qiáng)度高、密度小,強(qiáng)度超過了大部分合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。熱處理后按照表1所示物理性能參數(shù)取值來校核儲罐罐身屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值。
表1 TC4鈦合金物性參數(shù)
儲罐結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,δe=δh=0.8 mm,L=450 mm,D0=200 mm+2δh,H=75 mm+δh,h=25 mm。其中,δe為筒體罐身厚度,δh為儲罐封頭厚度,H為封頭高度與直邊段之和,h為直邊段高度。
圖1 儲罐結(jié)構(gòu)簡圖
儲罐模型具有結(jié)構(gòu)對稱性,其完整的三維模型可以看作由1/2的模型繞儲罐中軸旋轉(zhuǎn)得到。因為其余結(jié)構(gòu)在物理性質(zhì)、約束施加以及載荷分布方面基本一致,在添加邊界條件的時候,只需施加具有連續(xù)性的位移約束[4]就可以使用一半的模型進(jìn)行模擬仿真,極大減少了計算量。利用ANSYS Workbench建立的模型如圖2所示。
圖2 制冷劑儲罐1/2結(jié)構(gòu)示意圖
本文采用Adaptive的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分:先從邊開始劃分網(wǎng)格,再在曲率較大的地方細(xì)化邊網(wǎng)格。劃分完成后得到如圖3所示的四面體網(wǎng)格,節(jié)點數(shù)為87 428個,單元數(shù)為43 100個。
圖3 模型整體網(wǎng)格示意圖
有限元模型的邊界條件是由儲罐的實際約束條件和加載條件決定的,本文根據(jù)儲罐模型底部的結(jié)構(gòu)特征和受力特點,對模型施加邊界約束條件:上截面施加y軸固定約束,對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) 以及用R404A液體密度定義的靜水壓力載荷。
網(wǎng)格劃分的方法不同以及數(shù)量差異會對數(shù)值模擬結(jié)果的計算產(chǎn)生一定影響,從而對分析的準(zhǔn)確性產(chǎn)生干擾[5]。下面對采用相同方法劃分的5類單元數(shù)不一致的網(wǎng)格模型進(jìn)行無關(guān)性檢測,網(wǎng)格的單元數(shù)見表2。
表2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗結(jié)果
由表可知,網(wǎng)格單元數(shù)對綜合應(yīng)力最大值的影響不可忽視,當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)從低于一萬的A類單元數(shù)增大至C類單元數(shù)時,綜合應(yīng)力最大值上升50 MPa,占A類網(wǎng)格最大值的15.7%;而當(dāng)劃分類型超過C類網(wǎng)格到達(dá)E類時,網(wǎng)格單元數(shù)增加近200%,綜合應(yīng)力最大值僅上升10 MPa,占C類網(wǎng)格最大值的2%。由此可以認(rèn)為,單元數(shù)增大到一定值后,計算結(jié)果趨于穩(wěn)定,綜合考慮后,確定E類網(wǎng)格單元數(shù)可滿足無關(guān)性要求。
依據(jù)胡金伯格方程按照3D封頭橢圓實體形狀建模:
(1)
(2)
式中:σφ為徑向應(yīng)力;σθ為環(huán)向應(yīng)力;R2為薄壁封頭上各點的曲率半徑;P為容器內(nèi)壓;t為容器壁厚;a,b為容器剖面橢圓長、短軸;x為封頭剖面各點至中軸線的距離。σφ在X-Y坐標(biāo)系中的方向如圖4所示,而σθ始終在K點處與封頭剖面保持垂直狀態(tài)。
圖4 薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析示意圖
由公式(1)、(2)可知橢球殼應(yīng)力與P和t有關(guān),與長軸與短軸之比a/b有關(guān)。當(dāng)a=b時,球殼趨于正圓球殼,最大應(yīng)力為圓筒殼中周向應(yīng)力的一半;而a/b增大時,橢球殼中應(yīng)力持續(xù)增大,直到a/b比值達(dá)到1.414時,橢圓封頭赤道處的σθ將從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。
通過有限元分析軟件中的Normal Stress后處理模塊對橢圓球殼與直邊段的交界處,即封頭赤道處任意一點沿X和Y軸方向的受力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,結(jié)果如圖5,6所示。
圖6 無沖擊徑向應(yīng)力云圖
在封頭赤道截面處任一點,取x=a,將內(nèi)壓P與壁厚t代入方程,依據(jù)建模數(shù)據(jù)取a/b為2,計算結(jié)果對比見表3。表中RATIO為仿真計算結(jié)果與方程計算結(jié)果的比值。
表3 理論計算與模擬仿真計算結(jié)果的對比
由表3可見,無載荷加速度時,赤道處一點上的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力的理論計算結(jié)果在數(shù)值和方向上與軟件模擬結(jié)果相互吻合,且最大數(shù)值差距不超過12%,可見理論方法與有限元方法均具有一定的參考性。
ANSYS中設(shè)定最大分析階數(shù)為8,根據(jù)相關(guān)規(guī)范[6],保留3個沖擊方向上模態(tài)質(zhì)量大于10%的所有模態(tài),結(jié)果見表4。在通過模態(tài)擴(kuò)展之后,表中僅保留了主要振型的有效質(zhì)量,對應(yīng)的主要模態(tài)振型如圖7所示。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 1060.1—91[7]可得關(guān)于水面艦船的沖擊設(shè)計值,見表5,表中的v0為基準(zhǔn)速度,m/s。制冷劑儲罐為甲板部位安裝設(shè)備,其設(shè)計沖擊載荷譜由式(3)確定。
表4 不同沖擊方向上的主要模態(tài)信息
圖7 各階振型圖
(3)
式中:aa為設(shè)計加速度,m/s2;a0為基準(zhǔn)加速度,m/s2;ma為設(shè)備有效模態(tài)質(zhì)量。
表5 船體安裝部位的設(shè)計沖擊載荷譜
將式(3)得到的設(shè)計加速度依次代入表5, 可以得到不同沖擊方向上的主要載荷譜,見表6。表中aD為最終設(shè)計加速度。
表6 不同沖擊方向上的設(shè)計載荷譜
由圖8可以看出,在橫向和縱向沖擊響應(yīng)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橢圓封頭與直邊段的交界處,分別為380.46 MPa和381.19 MPa,而垂向沖擊響應(yīng)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在了儲罐接口附近,達(dá)到了791.76 MPa。因此對R404A制冷劑儲罐來說,在8.42 Hz的1階垂向沖擊環(huán)境下的響應(yīng)雖然符合強(qiáng)度規(guī)范,但卻是最為危險的沖擊環(huán)境,需要引起重視;而2階橫向和6階縱向其次,表現(xiàn)較為安全。
圖8 3個沖擊方向儲罐綜合應(yīng)力響應(yīng)云圖
時域動態(tài)沖擊分析,即對3D模型進(jìn)行短時間內(nèi)的瞬態(tài)動力學(xué)分析,通過輸入數(shù)據(jù)作為時間函數(shù)的載荷,研究結(jié)構(gòu)在隨時間任意變化的載荷作用下,模型非線性響應(yīng)的過程[8]。
根據(jù)前聯(lián)邦德國國防軍艦艇建造規(guī)范BV/0430沖擊安全性[9]以及相關(guān)文獻(xiàn)資料[10],將沖擊設(shè)計譜值轉(zhuǎn)化成加速度時程曲線函數(shù),對3D模型施加0.03 s內(nèi)Y方向上的垂向沖擊加速度,如圖9所示。
圖9 動態(tài)沖擊加速度曲線圖
為了便于得到各變量的時間歷程曲線,可以將Solution結(jié)果鏈接至Mechanical APDL中利用ANSYS經(jīng)典中的命令流對結(jié)果進(jìn)行時間歷程后處理。本文選取1489號節(jié)點作為研究對象,位置如圖10所示。
本文利用ANSYS經(jīng)典中的POST26命令對結(jié)果進(jìn)行時間歷程后處理,通過對該節(jié)點微分得到該節(jié)點的速度信息,再次微分得到加速度信息,最后結(jié)果如圖11所示。
圖10 1489號節(jié)點位置示意圖
圖11 X向、Y向、Z向加速度時域曲線
從圖中可以看到3個方向的加速度中,Y向的加速度變化最大,加速度響應(yīng)幅值最大達(dá)到1 233 m/s2,X向在0.005 s附近達(dá)到響應(yīng)極限,而Z向的加速度響應(yīng)幅值波動較小。
1489號節(jié)點位于上封頭內(nèi)部與筒體交接附近的應(yīng)力帶區(qū)域,從圖12可看到該節(jié)點的應(yīng)力在300 MPa到350 MPa之間上下浮動,與圖13數(shù)值基本接近。
圖12 節(jié)點最大合成應(yīng)力時域曲線
由圖9可見,在BV/0430中5.3 ms正向沖擊載荷達(dá)到58g的最高值,而綜合應(yīng)力最大值僅為371 MPa,低于節(jié)點單向沖擊考察方法峰值約62.9%。
本文主要對理論設(shè)計的艦船制冷劑儲罐進(jìn)行動態(tài)設(shè)計分析方法的有限元仿真和動態(tài)時域沖擊分析,通過得到的最大應(yīng)力響應(yīng)值與分布來分析、考察在設(shè)計工況下的沖擊響應(yīng)是否符合要求。
圖13 上封頭內(nèi)部應(yīng)力云圖
1)經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),在8.42 Hz的垂向沖擊下,局部最大應(yīng)力達(dá)到了791.76 MPa,制冷劑儲罐結(jié)構(gòu)處于較為危險的狀態(tài),但符合強(qiáng)度規(guī)范。
2)考察點單方向沖擊輸入會影響其余方向的應(yīng)力響應(yīng),產(chǎn)生小幅波動。從考察點綜合應(yīng)力來看,距離屈服強(qiáng)度依舊剩余61.4%的安全裕量。
3)動態(tài)設(shè)計分析方法顯示縱向和橫向的綜合應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在容器內(nèi)壁對接的焊縫融合區(qū)域,在產(chǎn)品成型加工過程中,往往會在這些區(qū)域產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。而該區(qū)域往往也是介質(zhì)壓力引起最大拉伸應(yīng)力的地方,會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。分析可知,若要提高該類儲罐的使用期限,在加工過程中需要通過熱處理工藝減少相關(guān)區(qū)域的殘余應(yīng)力。