冷旋压高压气瓶瓶底结构强度分析

(1．杭州汽轮机股份有限公司，杭州 310022；2．浙江金盾压力容器有限公司，浙江 绍兴 312367)

0 引言

高压气瓶作为一种气体储存容器，用于贮运各种类型的永久气体、液化气体以及溶解气体，并在航空、工矿企业、海洋、医疗设备等国民经济领域得到广泛地应用[1-3]。目前，冷旋压技术作为高压气瓶的主要生产方法之一，可以从根本上解决传统气瓶在生产中出现的焊缝不连续、强度低、脆裂等缺陷问题，并且可以大幅度提高气瓶的气密性和耐压性[4]。由于气瓶在高压载荷作用下，应力应变很复杂，呈现高应力水平并承受很大的循环应力，容易产生应力集中问题，因此，对高压气瓶进行力学分析尤为重要。鉴于此，采用有限元分析软件ABAQUS，对气瓶瓶底结构(凹底式)进行强度分析，从而改善瓶底结构，以提高气瓶的可靠性和安全性，减轻气瓶重量，提高经济性，实现气瓶充装压力的升级。

1 高压钢瓶制造技术

高强度气瓶一般都是采用钢坯经加热并经冲压、拔伸的方法进行制造，该方法使用大型立式水压机、卧式拔伸水压机[5]。由于受水压机的对中性、模具装配精度与磨损、钢坯加热温度均匀性等的影响，采用冲拔工艺得到的瓶坯壁厚不均匀，从而造成气瓶的空瓶质量大，应力分布不均匀。

钢坯经热冲压、拔伸工序制成具有一定长度、厚度的料坯，采用自主设计开发的冷旋压精密加工一次成型技术，使用三旋轮冷旋压机，将旋压机芯模套入料坯中，并按规定的速度旋转，三旋轮按规定的压下量同时压下并反向旋压、向前推进，将料坯旋压成符合规定要求的瓶坯[6]。以消除内外表面缺陷、均匀壁厚、改善材料性能，提高气瓶的结构强度。

三旋轮安装在同一圆弧高度上，按120°布置，见图1。为保证旋透平均厚度t0金属表面质量，并防止内表面扭曲变形以及外表面起皮、鼓泡和深旋压波纹现象，在保证生产效率的基础上，通过试验研究确定了冷旋压工艺参数，见表1。冷旋压以后，瓶坯检验结果见表2。可以看出，瓶坯壁厚偏差比冲压瓶坯降低约0.50 mm，瓶坯质量比冲拔式瓶坯降低5%左右。

图1 三旋轮冷旋压示意

表1 冷旋压精密加工工艺参数

表2 ∅229 mm-50 L冲拔+冷旋压气瓶参数(按ISO 9809-2:2010设计)

2 高压气瓶瓶底有限元模型

2.1 气瓶瓶底结构尺寸

本文针对规格为∅229 mm-50 L高压气瓶瓶底进行分析。根据标准ISO 9809-2:2010[7]中的要求：S为气瓶壁厚，S1为凹底中心厚度，S3为着地点厚度，S1≥2S，S3≥2S，H≥0.12D0，过渡圆弧半径R1≥0.075D0，为了获得合理的应力，气瓶瓶体和底部过渡圆弧部分应逐步增加，气瓶凹形底部几何结构尺寸如图2所示。

根据企业标准Q/JD 002—2016的要求，并考虑到爆破试验主破口应在筒体上的要求，气瓶凹形底部尺寸取值如表3所示。

图2 气瓶底部几何结构尺寸示意

表3 瓶底结构主要尺寸 mm

2.2 材料参数

气瓶使用的34CrMo4H钢是在34CrMo4化学成分的基础上进行了改进，该钢的化学成分见表4，经材料性能试验能够满足产品设计要求[8]。该材料弹性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服强度Reg≥ 980 MPa，抗拉强度Rmg≥1 100 MPa。计算气瓶在工作压力(20 MPa)和水压试验压力(30 MPa)工况时的应力分布，按线弹性模型处理；而在计算最小爆破压力(48 MPa)下的应力分布时，需考虑气瓶的非线性和几何非线性。将材料的工程应力应变转换为真实应力应变后，使用的多线性等强化模型建立气瓶材料的弹塑性本构如表5所示[9]，使用该模型后材料的真实应力-应变曲线如图3所示。

表4 34CrMo4H钢化学成分 %

表5 多线性等向强化模型数据

图3 34CrMo4H钢的真实应力-应变曲线

2.3 有限元模型及边界条件

有限元模型的边界条件是由气瓶的实际约束条件和加载条件决定的[10]。本文采用ABAQUS有限元软件，根据高压气瓶底部的结构特征和受力特点，对模型施加边界约束条件：上截面施加y轴固定约束，对称截面上采用完全约束。瓶底内壁面按分析需要施加均匀载荷(压力)，鉴于结构与载荷的对称性，为了减少计算量，因此建模时只需取1/4模型(见图4)。气瓶底部结构采用8节点实体单元C3D8进行网格划分，为了能够保证计算精度，底部及过渡圆弧段的网格需作加密处理，因此，模型包含1 162个节点数和990个单元数(见图5)。

图4 载荷及边界条件

图5 有限元网格模型及分析路径

3 计算结果及分析

3.1 气瓶瓶底结构强度分析

在受力情况下，气瓶瓶底易产生应力集中现象，为了更好地分析瓶底应力分布情况，文中定义3条路径A-A，B-B和C-C，如图5所示，其中，路径A-A为筒体径向厚度方向，路径B-B为过渡圆弧方向，路径C-C为底部凹底轴向厚度方向。根据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认)中规定，对气瓶瓶底结构进行应力分析和强度校核[11]。各类应力强度的许用极限如表6所示。

根据表3的几何结构尺寸，通过有限元数值模拟，可以得到一系列应力云图，如图6所示。

表6 应力分类及许用极限

注：Pm-一次总体薄膜应力；PL-一次局部薄膜应力；Pb-一次弯曲应力；Q-二次应力；F-峰值应力;Sm-材料设计应力强度值，本文Sm=616.4 MPa;K-载荷组合系数，在不需要同时考虑风载荷和地震载荷的情况下，K取1.0；Sa取决于它的应力差值的幅度及作用次数，该值应根据JB 4732—1995附录C-1中由疲劳曲线得到的许用值进行评定

图6 各工况载荷条件下等效应力云图

由图6可以看出，在工作压力(20 MPa)和水压试验压力(30 MPa)工况下，瓶底结构的最大Mises应力均出现在筒体与凹底过渡圆弧内壁位置，分别达到532.1 MPa和797.4 MPa,小于材料的屈服强度(980 MPa)；而在最小爆破压力(48 MPa)工况下,最大Mises应力(1 033 MPa)同样出现在筒体与凹底过渡圆弧内壁位置，这时应力超过材料的屈服强度，但低于材料的抗拉强度(1 100 MPa)。从瓶底结构各路径的Mises应力分析(见图7)可以看出，在沿筒体厚度方向路径A-A，Mises应力略逐渐降低，但应力变化值不大；在瓶底过渡圆弧处路径B-B，属于应力集中最明显处，Mises应力值先减小后增大；在凹底轴向厚度方向路径C-C，也稍微出现应力集中现象，从内壁到外壁，应力值逐渐增大，但其最大Mises值小于筒体与凹底过渡圆弧内壁的应力值。从应力结果看，最大Mises应力为1 033 MPa，小于气瓶材料的真应力-应变强度极限(1 100 MPa)。由Mises强度条件评定，所设计气瓶的爆破压力还有6.1%的安全裕量。

图7 内压 48 MPa时瓶底结构各路径的Mises应力分布

由于在各工况载荷条件下，气瓶瓶底应力分布不同，根据表6进行强度校核。选择在48 MPa内压条件下对瓶底进行分析，瓶底过渡圆弧处属于结构不连续区，很容易产生较大的一次局部薄膜应力及二次应力，所以只需要对表6中的SⅡ和SⅣ进行校核，其他应力强度可以不进行校核[12]。将路径B-B(应力最大处)应力线性化可得到一次局部薄膜应力PL、二次应力Q、一次+二次应力及总应力。路径B-B应力线性化结果如表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，在最小爆破压力下，气瓶瓶底结构强度满足标准要求。

表7 路径B-B应力线性化结果

3.2 气瓶瓶底结构优化

目前，在机械产品研究领域，通过ISIGHT集成CAD和CAE软件进行结构优化得到更好的应用。本节采用ISIGHT集成CAD和ABAQUS软件对高压气瓶瓶底结构进行参数优化[13]，该集成软件通过搭建计算机协同集成智能优化技术平台，以实现气瓶瓶底结构设计和有限元应力分析的自动化，并基于有限元应力分析结果对瓶底结构进行智能优化，从而实现瓶底最优结构尺寸。

对于规格为∅229 mm-50 L的高压气瓶的瓶底部分进行结构优化。根据气瓶瓶底结构(见图2)以及瓶底结构主要尺寸(见表3)设定参数初始值，气瓶的凹形底部分的体积和最大Mises应力值作为目标函数，选择R1，S1，S2，S3，R,H作为优化变量。瓶底结构优化前产品参数如表8所示，优化过程中气瓶瓶底部分的体积用V表示，最大Mises应力用Smax表示。

气瓶瓶底结构优化结束后，优化的结果可以在ISIGHT的Graphs菜单中以图表形式查看，也能在History菜单中以列表形式查看。通过对优化结果筛选，选择一组最佳优化尺寸。考虑企业的气瓶制造工艺、模具尺寸要求，并进一步利用优化后的瓶底模型的强度裕量，增大气瓶的容重比，对优化后的瓶底模型的结构尺寸进行了修正，修正后的瓶底结构尺寸如表9所示。对修正后的瓶底结构进行有限元应力分析，得到在工作压力(20 MPa)和爆破压力(48 MPa)下的有限元应力分析结果如图8,9所示。

表8 瓶底结构优化前产品参数

表9 瓶底结构优化前后及修正后产品参数比较(工作压力20 MPa)

由图8,9可以看出，修正后的瓶底结构在工作压力下的最大应力为563.1 MPa，小于气瓶材料的屈服强度(980 MPa)；在爆破压力下的最大应力为1 083 MPa，小于气瓶材料的抗拉强度(1 100 MPa)。最大应力均出现在瓶体与凹底过渡圆弧内壁位置。按Mises强度条件评定，修正后的瓶底结构的爆破压力还有1.5%的相对余量。

图8 工作压力20 MPa时瓶底模型的应力分布云图

图9 爆破压力48 MPa时瓶底模型的应力分布云图

通过对高压气瓶瓶底结构参数优化，与原瓶底结构相比，优化后的瓶底结构的质量减轻9.29%。对优化后的瓶底结构进行修正后，增大了气瓶的容重比，且其瓶底结构的质量仍小于原瓶底结构的质量。

4 结论

(1)采用自主研发的三轮冷旋压机生产气瓶，可以缩小气瓶的壁厚偏差，改善材料性能，提高气瓶的整体结构强度。

(2)气瓶易在底部过渡圆弧处产生应力集中现象，在最小爆破压力下对规格∅229 mm-50L气瓶瓶底结构进行强度校核，该结构满足标准要求，并且留有一定的安全裕量。

(3)通过对气瓶瓶底结构进行优化，得到了一种比较合理的气瓶结构，为冷旋压高压气瓶的优化改进提供了技术支撑。