沈博，李繼軍，陳正立，振前，張萬年，魏建暉

（河南航天工業(yè)總公司，河南 鄭州 451191）

高壓氣瓶主要用于軍用防空導彈主體系統(tǒng)中，是推進和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用來貯存高壓氣體，為導彈上動力系統(tǒng)提供增壓保證。目前，高壓氣瓶應用需求較多，結(jié)構(gòu)上多采用兩半球焊接成型，或兩半球加中間圓柱端焊接成型的結(jié)構(gòu)，該類產(chǎn)品具有加工難、焊接成型工藝復雜、爆破壓力不易達標的特點。為保證型號產(chǎn)品在極限工況下工作的安全穩(wěn)定性。本文通過結(jié)構(gòu)應力學數(shù)值模擬，對某型號高壓氣瓶進行應力場分析，此研究對高壓氣瓶設(shè)計生產(chǎn)應用具有重要參考意義，可提高產(chǎn)品的研制效率與成功率。

1 組成結(jié)構(gòu)

圖1所示為某型號高壓氣瓶結(jié)構(gòu)簡圖。此高壓氣瓶是中心軸對稱的結(jié)構(gòu)，由左半球、右半球和支撐中軸組成。左右半球通過焊縫連接，兩端通過焊接固定在支撐軸上，可視作剛體。

圖1 高壓氣瓶結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)構(gòu)應力分析

高壓氣瓶在工作中承受內(nèi)壓，瓶體重量及內(nèi)部介質(zhì)重量可忽略，其內(nèi)腔所受壓力分布均勻，瓶體變形為由內(nèi)向外，因其軸對稱結(jié)構(gòu)，所以縱截面及橫截面無剪應力，僅有正應力。

左、右半球所受應力為：

式中：p為工作壓力；θσ為周向應力；rσ為徑向應力；R為半球外圓半徑；t為殼體壁厚。

可以看出，球體所受應力與工作壓力、半徑關(guān)系成正相關(guān)，與殼體壁厚關(guān)系成負相關(guān)。

3 模型及計算方法

采用UG 三維建模軟件建立高壓氣瓶三維模型，導入ABAQUS 軟件中進行氣瓶應力場數(shù)值模擬。

3.1 有限元模型

根據(jù)高壓氣瓶實際工況，產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)對稱，在工作過程中，內(nèi)部均勻承受高壓氣體的作用。支承軸主要起支撐和連接外部接口的作用，為減少非必要的干擾因素，對瓶體進行應力場分析，選取1/2模型進行數(shù)值模擬。所建立的瓶體三維模型在ABAQUS 軟件中進行網(wǎng)格劃分，高壓氣瓶設(shè)置為四節(jié)點線性四面體二次單元（C3D10）、沙漏控制、減縮積分。有限元網(wǎng)格劃分后，單元總數(shù)26746。建立的有限元模型見圖2。

圖2 高壓氣瓶有限元模型

3.2 材料屬性

材料選材上，選用某牌號沉淀硬化馬氏體不銹鋼，其具有抗腐蝕、高強度等特性。

采用CMT5305 型微機控制電子萬能試驗機，按照GB/T2975《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》選取拉伸試樣，試樣尺寸見圖3，按照GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分室溫試驗方法》進行拉伸試驗獲取材料力學性能參數(shù)見表1。材料密度7.78g/cm3，泊松比0.3，彈性模量為210GPa，抗拉強度1156MPa，屈服強度1104MPa。

表1 高壓氣瓶材料屬性表

圖3 拉伸試樣

3.3 載荷與邊界條件

高壓氣瓶所受載荷為內(nèi)部靜壓力載荷，根據(jù)實際工況，在LOAD 模塊設(shè)置施加在內(nèi)腔上的面載荷，在實際工況下，氣瓶兩端被固定，因此約束設(shè)置在端面三個方向全約束。

4 結(jié)果與分析

在ABAQUS 軟件中進行氣瓶應力場數(shù)值模擬結(jié)果如下。

不同壓力下氣瓶應力場分布云圖如圖4 所示，可見，不同壓力下高壓氣瓶內(nèi)部壓力分布從中間至邊緣呈遞增趨勢，且應力最大處均為右端焊縫位置處，隨著壓力的增加，應力逐漸增大，在15MPa、35MPa、55MPa、75MPa、95MPa 時，瓶體最大應力分別為107.3MPa、322.0MPa、536.7MPa、966.1MPa、1181.0MPa。 當壓力達到95MPa 時，此時氣瓶內(nèi)部所受最大應力為1181.0MPa，已超過材料抗拉強度，瓶體此時已經(jīng)爆破。

圖4 不同壓力下應力分布云圖

圖5為建立的氣瓶瓶體表面節(jié)點路徑。圖6 為高壓氣瓶瓶體表面該路徑下應力分布變化曲線，可見，瓶體最大應力從右端焊縫至中間由大逐漸減小，右端末尾處急劇變化，下降至中間段應力變化較小，由此可得，當氣瓶爆破時，缺口會在應力較大且變化梯度較大的右端焊縫處。

圖5 瓶體表面節(jié)點路徑

圖6 瓶體表面應力分布變化曲線

5 試驗驗證

為驗證數(shù)值模擬準確性，隨機抽取該型號高壓氣瓶進行爆破試驗驗證。試驗在高壓試驗室防爆間進行，試驗介質(zhì)為純凈水。

對瓶內(nèi)緩慢充入純凈水，進行水壓強度爆破，記錄爆破時壓力。表2 為高壓氣瓶爆破試驗數(shù)據(jù)。圖7 為爆破試驗后氣瓶圖。

表2 高壓氣瓶爆破試驗數(shù)據(jù)

圖7 爆破試驗后氣瓶圖

從試驗結(jié)果及爆破后缺口位置可以看出，爆破壓力分別為96.7MPa、97.5MPa、98.6MPa，與數(shù)值模擬結(jié)果誤差僅為2.66%；爆破口均為瓶體兩端焊縫位置處，與數(shù)值模擬分析結(jié)果吻合。數(shù)值模擬計算結(jié)果與實際值誤差較小，其應力分布規(guī)律，應力薄弱位置分析，對實際設(shè)計生產(chǎn)具有極大的參考價值。

6 結(jié)語

通過某型號高壓氣瓶應力場理論分析、數(shù)值模擬與試驗驗證相結(jié)合，對高壓氣瓶應力薄弱點進行識別把控，得出了其應力分布規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果偏差為2.66%。此研究可應用于同類產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程中?？商崆白R別結(jié)構(gòu)風險點，對薄弱點進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足實際工況使用需求。對高壓氣瓶設(shè)計生產(chǎn)應用具有重要參考意義，可大大縮短產(chǎn)品研制周期與產(chǎn)品研制成功率。