基于LS－DYNA的高壓氣瓶跌落仿真分析

陳 飛，岳應(yīng)娟，杜小軍，杜海霞，陽建紅

（第二炮兵工程大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安，710025）

高壓氣瓶在航天、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，近年來在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中也得以應(yīng)用。高壓氣瓶使用環(huán)境比較惡劣，在使用過程中難免受到?jīng)_擊或發(fā)生跌落，這些都可能導(dǎo)致氣瓶損壞甚至爆炸，進而威脅到武器系統(tǒng)安全，所以有必要對氣瓶的抗沖擊性能進行研究。以前的研究主要采用跌落實驗的方法，但由于跌落是一個沖擊過程，其作用時間很短，實驗不易控制，測到的物理量也很有限，無法獲得空間、時間上的連續(xù)結(jié)果，不可能完整地體現(xiàn)氣瓶跌落時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程和變形機理［1］，而計算機模擬技術(shù)則能夠很好地解決這類問題。因此，本文擬采用有限元分析軟件ANSYS中的LS－DYNA模塊對高壓氣瓶在無內(nèi)壓的狀態(tài)下進行跌落仿真分析，以期迅速而準(zhǔn)確地得到氣瓶的應(yīng)力、應(yīng)變等各種參數(shù)，進而可對其安全性進行評估。

1 有限元模型的建立及仿真參數(shù)的設(shè)定

按照高壓氣瓶的實際尺寸，在ANSYS前處理過程中建立其幾何模型。氣瓶的主體材料為35CrMo結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)氣瓶材料特性和結(jié)構(gòu)特點，采用solid164單元進行單元離散，離散后的有限元模型如圖1所示。綜合考慮計算精度和計算規(guī)模，整個模型采用14981個節(jié)點、11233個單元。

圖1 氣瓶有限元模型Fig.1 Finite element model of gas cylinder

數(shù)值計算中氣瓶材料的本構(gòu)關(guān)系采用與應(yīng)變率相關(guān)的各向同性強化模式［2－4］，具體形式為：

式中：σ0為材料靜態(tài)屈服應(yīng)力；為失效應(yīng)變；C和P為Cowper－Symonds應(yīng)變率參數(shù)，它們表征了材料的應(yīng)變率敏感特性；Ep為切線模量；β為硬化系數(shù)。對于35CrMo結(jié)構(gòu)鋼，＝1，C＝1，P ＝100，Ep＝2.1GPa，β＝1。

地面等效為鋼板結(jié)構(gòu)，采用剛體來模擬?？諝獠捎肕AT＿NULL材料模型和線性多項式狀態(tài)方 程 EOS＿LINEAR＿POLYNOMIAL 描述［2－4］：

式中：p為空氣壓力；μ為空氣當(dāng)前密度和初始密度比（壓縮比）；C0～C6為線性多項式系數(shù)，本文取C0＝C1＝C2＝C3＝C6＝0，C4＝C5＝0.4；E為單位體積內(nèi)能，E＝2.5×105Pa。

在進行高壓鋼瓶跌落仿真計算之前，需要設(shè)定重力、計算時間、跌落高度和跌落角度。重力根據(jù)所選定的單元類型進行選擇。仿真計算可以從氣瓶即將與剛性平面碰撞的時刻開始，也可以從氣瓶開始跌落的時刻開始，為縮短計算分析時間，本文選擇前者。跌落高度和跌落角度是整個模擬過程中最重要的設(shè)定參數(shù)：跌落高度要真實反映日常使用中所遇到的一般跌落情況，鑒于目前氣瓶車最高層的高度為2m左右，因此跌落高度設(shè)為2m，則氣瓶從該高度自由墜落接觸地面時的速度為6.3m／s；跌落角度應(yīng)該體現(xiàn)物體在現(xiàn)有高度最危險的情況，因為物體外形往往不規(guī)則，以不同的面作為直接接觸面時物體所受應(yīng)力、應(yīng)變也不同，因此本文對氣瓶分別以水平、45°傾斜、垂直3種角度跌落進行仿真計算。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力分析

圖2～圖4為氣瓶以不同角度跌落時的等效應(yīng)力云圖，圖5為氣瓶垂直跌落時的塑性變形圖。由圖2可見，水平跌落時氣瓶兩端肩部受力要比中間部位受力大，這是因為氣瓶肩部在沖擊過程中產(chǎn)生變形，出現(xiàn)較大剪應(yīng)力，導(dǎo)致該部位受力達505MPa，但遠(yuǎn)低于氣瓶材料的屈服強度835 MPa。由圖3可見，氣瓶45°傾斜跌落時與地面接觸部位的等效應(yīng)力最大，為734MPa，已接近材料的屈服強度，氣瓶發(fā)生塑性變形。

由圖4、圖5可以看出，氣瓶垂直跌落時，在0.017s時底部1065單元的等效應(yīng)力最大，達到1500MPa，遠(yuǎn)高于氣瓶材料的屈服強度835 MPa，氣瓶塑性變形較大。

2.2 動能變化

圖6～圖8為氣瓶以不同角度跌落時的動能變化曲線圖。由于3種情況下氣瓶從同樣的高度跌落，因此在0時刻其動能是一樣的。水平跌落時，氣瓶沒有發(fā)生塑性變形，接觸地面時氣瓶動能迅速減小，離開地面后又迅速增大，由于能量守恒，因此氣瓶跌落反彈后的動能仍能達到1300J左右。

氣瓶45°傾斜跌落接觸地面時，其上半部分仍在運動，因此這時氣瓶動能沒有降至0，而且在接觸過程中氣瓶發(fā)生塑性變形，部分動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能［5］，所以沖擊后的動能小于初始動能。氣瓶垂直跌落接觸地面時，其動能降至0然后迅速反彈，由于垂直跌落時氣瓶發(fā)生較大塑性變形，與45°傾斜跌落相比，更多動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，因此沖擊后的動能減少很多。

圖2 水平跌落時氣瓶的等效應(yīng)力云團Fig.2 Equivalent stress cloud chart of gas cylinder dropping horizontally

圖3 45°傾斜跌落時氣瓶的等效應(yīng)力云團Fig.3 Equivalent stress cloud chart of gas cylinder dropping at a slant of 45degrees

圖4 垂直跌落時氣瓶的等效應(yīng)力云團Fig.4 Equivalent stress cloud chart of gas cylinder dropping vertically

圖5 垂直跌落時氣瓶的塑性變形Fig.5 Plastic deformation of gas cylinder dropping vertically

圖6 水平跌落時氣瓶的動能變化曲線Fig.6 Kinetic energy curve of gas cylinder dropping horizontally

圖7 45°傾斜跌落時氣瓶的動能變化曲線Fig.7 Kinetic energy curve of gas cylinder dropping at a slant of 45degrees

圖8 垂直跌落時氣瓶的動能變化曲線Fig.8 Kinetic energy curve of gas cylinder dropping vertically

2.3 速度變化

圖9～圖11為氣瓶以不同角度跌落時的速度變化曲線。由于3種情況下氣瓶從同樣的高度跌落，因此在接觸地面時其速度都為－6.3m／s左右。水平跌落時，氣瓶速度在碰撞前后發(fā)生了躍變，由－6.3m／s變?yōu)?m／s左右，表明氣瓶在碰撞過程中基本符合動量守恒定理，這與前面的動能變化分析是相符的。45°傾斜跌落和垂直跌落時，氣瓶發(fā)生了塑性變形，部分動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，因此反彈后氣瓶速度降低，并且垂直跌落時氣瓶速度降低得更明顯。

圖9 水平跌落時氣瓶的速度變化曲線Fig.9 Velocity curve of gas cylinder dropping horizontally

圖10 45°傾斜跌落時氣瓶的速度變化曲線Fig.10 Velocity curve of gas cylinder dropping at a slant of 45degrees

圖11 垂直跌落時氣瓶的速度變化曲線Fig.11 Velocity curve of gas cylinder dropping vertically

3 結(jié)語

本文根據(jù)高壓氣瓶的幾何尺寸和材料特性，建立其有限元模型，采用ANSYS中的LS－DYNA模塊對氣瓶在無內(nèi)壓的狀態(tài)下從2m高度以3種不同角度自由墜落時的應(yīng)力、應(yīng)變和速度等進行仿真計算。45°傾斜跌落時，氣瓶的最大等效應(yīng)力為734MPa，接近材料的屈服強度835MPa，屈服區(qū)域位于氣瓶與地面接觸端附近；垂直跌落時，氣瓶的最大沖擊應(yīng)力為1500MPa，遠(yuǎn)超過材料的屈服強度，屈服點位于沖擊接觸點附近，屈服區(qū)域逐漸向四周擴散，部分動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，反彈后氣瓶速度減小。45°跌落和垂直跌落時氣瓶均處于危險狀態(tài)。本文主要是針對不加內(nèi)壓的氣瓶進行跌落過程仿真，如果考慮內(nèi)壓，氣瓶跌落所產(chǎn)生的應(yīng)力將更大。

［1］魏鋒.壓力容器安全監(jiān)察與管理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：1－23.

［2］李海斌，趙長生，陽建紅，等.意外撞擊和沖擊波作用下氣瓶的動態(tài)響應(yīng)［J］.壓力容器，2009，26（5）：32－37.

［3］Song Yanze，Li Zhiqiang，Zhao Longmao，et al.Numerical simulation of dynamic responses of discrete multilayered wound ribbon vessels subjected to internal explosion loading［C］／／Proceedings of the 7th International Conference on Shock and Impact Loads on Structures.Beijing：Beijing Institute of Technology，2007：535－538.

［4］熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS／LS－DYNA 在跌落仿真中的應(yīng)用［J］.計算機輔助工程，2003（2）：34－37.

［5］Raymon Ju，Brian Hsiao.Drop simulation for portable electronic products［C／OL］／／8th International LS－DYNA Users Conference.Dearborn，Michigan，May 2－4，2004.［2012－10－30］.https：／／www.dynalook.com／international－conf－2004／14－1.pdf.