基于ABAQUS 的高壓氣瓶應(yīng)力場數(shù)值模擬

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(dǎo)彈主體系統(tǒng)中，是推進(jìn)和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用來貯存高壓氣體，為導(dǎo)彈上動(dòng)力系統(tǒng)提供增壓保證。目前，高壓氣瓶應(yīng)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(fù)雜、爆破壓力不易達(dá)標(biāo)的特點(diǎn)。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(yīng)力學(xué)數(shù)值模擬，對某型號高壓氣瓶進(jìn)行應(yīng)力場分析，此研究對高壓氣瓶設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，僅有正應(yīng)力。

左、右半球所受應(yīng)力為：

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

可以看出，球體所受應(yīng)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(fù)相關(guān)。

3 模型及計(jì)算方法

采用UG 三維建模軟件建立高壓氣瓶三維模型，導(dǎo)入ABAQUS 軟件中進(jìn)行氣瓶應(yīng)力場數(shù)值模擬。

3.1 有限元模型

根據(jù)高壓氣瓶實(shí)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(jìn)行應(yīng)力場分析，選取1/2模型進(jìn)行數(shù)值模擬。所建立的瓶體三維模型在ABAQUS 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，高壓氣瓶設(shè)置為四節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度等特性。

采用CMT5305 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T2975《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)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(yàn)第1 部分室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲取材料力學(xué)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(qiáng)度1156MPa，屈服強(qiáng)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(shí)際工況，在LOAD 模塊設(shè)置施加在內(nèi)腔上的面載荷，在實(shí)際工況下，氣瓶兩端被固定，因此約束設(shè)置在端面三個(gè)方向全約束。

4 結(jié)果與分析

在ABAQUS 軟件中進(jìn)行氣瓶應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果如下。

不同壓力下氣瓶應(yīng)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(yīng)力最大處均為右端焊縫位置處，隨著壓力的增加，應(yīng)力逐漸增大，在15MPa、35MPa、55MPa、75MPa、95MPa 時(shí)，瓶體最大應(yīng)力分別為107.3MPa、322.0MPa、536.7MPa、966.1MPa、1181.0MPa。 當(dāng)壓力達(dá)到95MPa 時(shí)，此時(shí)氣瓶內(nèi)部所受最大應(yīng)力為1181.0MPa，已超過材料抗拉強(qiáng)度，瓶體此時(shí)已經(jīng)爆破。

圖4 不同壓力下應(yīng)力分布云圖

圖5為建立的氣瓶瓶體表面節(jié)點(diǎn)路徑。圖6 為高壓氣瓶瓶體表面該路徑下應(yīng)力分布變化曲線，可見，瓶體最大應(yīng)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(yīng)力變化較小，由此可得，當(dāng)氣瓶爆破時(shí)，缺口會在應(yīng)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(diǎn)路徑

圖6 瓶體表面應(yīng)力分布變化曲線

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，隨機(jī)抽取該型號高壓氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)在高壓試驗(yàn)室防爆間進(jìn)行，試驗(yàn)介質(zhì)為純凈水。

對瓶內(nèi)緩慢充入純凈水，進(jìn)行水壓強(qiáng)度爆破，記錄爆破時(shí)壓力。表2 為高壓氣瓶爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖7 為爆破試驗(yàn)后氣瓶圖。

表2 高壓氣瓶爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 爆破試驗(yàn)后氣瓶圖

從試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果與實(shí)際值誤差較小，其應(yīng)力分布規(guī)律，應(yīng)力薄弱位置分析，對實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有極大的參考價(jià)值。

6 結(jié)語

通過某型號高壓氣瓶應(yīng)力場理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，對高壓氣瓶應(yīng)力薄弱點(diǎn)進(jìn)行識別把控，得出了其應(yīng)力分布規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差為2.66%。此研究可應(yīng)用于同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中。可提前識別結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對薄弱點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足實(shí)際工況使用需求。對高壓氣瓶設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)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。