基于ABAQUS 的高压气瓶应力场数值模拟

沈博，李继军，陈正立，振前，张万年，魏建晖

（河南航天工业总公司，河南 郑州 451191）

高压气瓶主要用于军用防空导弹主体系统中，是推进和控制系统的关键部件，用来贮存高压气体，为导弹上动力系统提供增压保证。目前，高压气瓶应用需求较多，结构上多采用两半球焊接成型，或两半球加中间圆柱端焊接成型的结构，该类产品具有加工难、焊接成型工艺复杂、爆破压力不易达标的特点。为保证型号产品在极限工况下工作的安全稳定性。本文通过结构应力学数值模拟，对某型号高压气瓶进行应力场分析，此研究对高压气瓶设计生产应用具有重要参考意义，可提高产品的研制效率与成功率。

1 组成结构

图1所示为某型号高压气瓶结构简图。此高压气瓶是中心轴对称的结构，由左半球、右半球和支撑中轴组成。左右半球通过焊缝连接，两端通过焊接固定在支撑轴上，可视作刚体。

图1 高压气瓶结构图

2 结构应力分析

高压气瓶在工作中承受内压，瓶体重量及内部介质重量可忽略，其内腔所受压力分布均匀，瓶体变形为由内向外，因其轴对称结构，所以纵截面及横截面无剪应力，仅有正应力。

左、右半球所受应力为：

式中：p为工作压力；θσ为周向应力；rσ为径向应力；R为半球外圆半径；t为壳体壁厚。

可以看出，球体所受应力与工作压力、半径关系成正相关，与壳体壁厚关系成负相关。

3 模型及计算方法

采用UG 三维建模软件建立高压气瓶三维模型，导入ABAQUS 软件中进行气瓶应力场数值模拟。

3.1 有限元模型

根据高压气瓶实际工况，产品整体结构对称，在工作过程中，内部均匀承受高压气体的作用。支承轴主要起支撑和连接外部接口的作用，为减少非必要的干扰因素，对瓶体进行应力场分析，选取1/2模型进行数值模拟。所建立的瓶体三维模型在ABAQUS 软件中进行网格划分，高压气瓶设置为四节点线性四面体二次单元（C3D10）、沙漏控制、减缩积分。有限元网格划分后，单元总数26746。建立的有限元模型见图2。

图2 高压气瓶有限元模型

3.2 材料属性

材料选材上，选用某牌号沉淀硬化马氏体不锈钢，其具有抗腐蚀、高强度等特性。

采用CMT5305 型微机控制电子万能试验机，按照GB/T2975《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》选取拉伸试样，试样尺寸见图3，按照GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1 部分室温试验方法》进行拉伸试验获取材料力学性能参数见表1。材料密度7.78g/cm3，泊松比0.3，弹性模量为210GPa，抗拉强度1156MPa，屈服强度1104MPa。

表1 高压气瓶材料属性表

图3 拉伸试样

3.3 载荷与边界条件

高压气瓶所受载荷为内部静压力载荷，根据实际工况，在LOAD 模块设置施加在内腔上的面载荷，在实际工况下，气瓶两端被固定，因此约束设置在端面三个方向全约束。

4 结果与分析

在ABAQUS 软件中进行气瓶应力场数值模拟结果如下。

不同压力下气瓶应力场分布云图如图4 所示，可见，不同压力下高压气瓶内部压力分布从中间至边缘呈递增趋势，且应力最大处均为右端焊缝位置处，随着压力的增加，应力逐渐增大，在15MPa、35MPa、55MPa、75MPa、95MPa 时，瓶体最大应力分别为107.3MPa、322.0MPa、536.7MPa、966.1MPa、1181.0MPa。 当压力达到95MPa 时，此时气瓶内部所受最大应力为1181.0MPa，已超过材料抗拉强度，瓶体此时已经爆破。

图4 不同压力下应力分布云图

图5为建立的气瓶瓶体表面节点路径。图6 为高压气瓶瓶体表面该路径下应力分布变化曲线，可见，瓶体最大应力从右端焊缝至中间由大逐渐减小，右端末尾处急剧变化，下降至中间段应力变化较小，由此可得，当气瓶爆破时，缺口会在应力较大且变化梯度较大的右端焊缝处。

图5 瓶体表面节点路径

图6 瓶体表面应力分布变化曲线

5 试验验证

为验证数值模拟准确性，随机抽取该型号高压气瓶进行爆破试验验证。试验在高压试验室防爆间进行，试验介质为纯净水。

对瓶内缓慢充入纯净水，进行水压强度爆破，记录爆破时压力。表2 为高压气瓶爆破试验数据。图7 为爆破试验后气瓶图。

表2 高压气瓶爆破试验数据

图7 爆破试验后气瓶图

从试验结果及爆破后缺口位置可以看出，爆破压力分别为96.7MPa、97.5MPa、98.6MPa，与数值模拟结果误差仅为2.66%；爆破口均为瓶体两端焊缝位置处，与数值模拟分析结果吻合。数值模拟计算结果与实际值误差较小，其应力分布规律，应力薄弱位置分析，对实际设计生产具有极大的参考价值。

6 结语

通过某型号高压气瓶应力场理论分析、数值模拟与试验验证相结合，对高压气瓶应力薄弱点进行识别把控，得出了其应力分布规律，数值模拟结果与试验结果偏差为2.66%。此研究可应用于同类产品的设计开发过程中。可提前识别结构风险点，对薄弱点进行结构优化以满足实际工况使用需求。对高压气瓶设计生产应用具有重要参考意义，可大大缩短产品研制周期与产品研制成功率。