基于內拉結構的新型內壓容器設計探討

Study on design of internal pressure vessels based on inner pull structure

馬珍珍

（中國航天科技集團五院513所，煙臺 264000）

MA Zhen-zhen

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基于內拉結構的新型內壓容器設計探討

Study on design of internal pressure vessels based on inner pull structure

馬珍珍

（中國航天科技集團五院513所，煙臺 264000）

MA Zhen-zhen

摘要：為解決傳統內壓容器設計上存在容器壁厚與容器直徑之間的矛盾關系這一問題，設計了基于內拉結構的新內壓容器方案。首先對內拉結構的基本原理和設計細節進行介紹，然后從器壁的受力和使用材料用量等方面分析了內拉結構相比于傳統圓形截面的優勢，最后提出了一種基于新內壓容器的火箭燃料儲罐設計，并進行了探討研究。通過理論分析和ANSYS建模證明，所提出的內拉結構能夠更好地實現內壓容器的輕型化設計理念和綠色經濟的制造要求，具有良好的應用前景。

關鍵詞：內壓容器；內拉結構；輕型化設計；ANSYS建模

0　引言

壓力容器[1]是目前廣泛應用于石油、能源、化工與航空等領域的關鍵設備。為節約材料、降低制造、運輸和安裝成本，實現安全與節約資源并舉、穩定與經濟平衡的制造要求，壓力容器的輕型化設計成為了該制造行業的主導發展方向[2]。

壓力容器的輕型化，主要是在保證容器安全的前提下，通過減少壁厚來達到減輕容器重量。傳統的內壓容器質地多以金屬材料、復合材料或者外纏繞玻璃纖維以及碳纖維為主，且為圓形截面。按照GB150《鋼制壓力容器》[3]標準要求，同種材料在壓力定的情況下，壓力容器的計算壁厚只與容器直徑有關，這就導致容器容量與容器壁厚之間存在的矛盾關系。以往多采用新型材料和強化技術來解決這問題，文獻[4]設計了基于應變強化的奧氏體壓力容器，對容器筒體部分的應變強化進行研究；文獻[5]對壓力容器中的焊接技術進行探討，在器壁輕型化設計的前提下保證容器的質量、可靠性；文獻[6]采用元胞蟻群算法對容器設計參數進行優化，以實現在滿足各項設計指標的要求下，得到最佳設計方案的目的；文獻[7]對奧氏體壓力容器的強度裕度進行了研究，以期找出強度與壁厚平衡點。但這些方法存在的主要問題是，沒能突破圓形截面對壓力容器的限制，對于某些特殊要求，所進行的優化設計應用前景不大。本文針對這問題，設計了種基于異形內拉結構的新型內壓容器，新型內壓容器通過增加內拉結構以減小容器壁圓弧半徑，從而達到減少容器壁厚降低加工成本和實現容器輕型化的目的。

1　內壓容器壁厚設計原理

普通圓形截面壓力容器，大致分為鋼制壓力容器、鋁制壓力容器、復合材料壓力容器、周向纏繞和整體外纏繞壓力容器。參照GB150《鋼制壓力容器》標準要求，容器壁厚δ與內壓強pc之間的關系如式(1)所示。

目前，金屬材質的壓力容器，受限于金屬自身相對不高的抗拉強度，存儲相同安全系數以及密封相同壓力體積氣(液)體時，容器自身重量較重；采用復合材料的壓力容器，雖然有定優勢，其纖維(承力構件)的抗拉強度很高，但是還需要有密封構件—樹脂，這無疑增加了壓力容器的重量，同時成本也較高。例如，在汽車行業使用的復合材料液化石油氣儲罐僅比相同規格的鋁罐輕分之左右，而造價卻高很多。最后，整體外纏繞罐多是潛水員氧氣瓶等小型壓力容器，減重的確明顯，但不能做成大型壓力容器，原因在于接管頸部是其很難避免的缺陷；故大型壓力容器只能采用周向纏繞方式，卻減重不大。這也是為什么長征2E火箭的燃料儲罐還直采用傳統鋁罐，而不使用新材料的原因。

2　基于內拉結構的內壓容器

2.1內拉結構設計

通過式(1)的分析和對Dt含義的解釋，本文通過增加減小內壓容器壁圓弧半徑以降低對壁厚要求，其所設計的內壓容器內部截面如圖1所示。

圖1　內壓容器內部截圖

如圖所示，所設計的容器殼體由多個凸形構件組成，其中凸形構件與容器中心通過內拉結構進行連接。殼體內部受壓時，凸形構件受到的力通過角度α傳遞給內拉機構，且凸形構件的計算壁厚僅與內壓力和自身半徑有關。

內拉機構所受的力F內與凸形構件所受的力F凸滿足力的矢量合成，即隨著凸形構件所受的力增大而增大，并與角度a相反。F內與F凸的計算關系如式(2)所示。

在內拉結構中，兩凸形構件間的連接區域設計如圖2所示。

圖2　兩凸形構件間的連接圖

如圖2所示，兩凸形構件間為內折邊，且兩內折邊重合，增加了強度，避免了F內的應力集中，同時也允許在其上打孔周向內拉，或者徑向內拉。凸形構件內凹區域的焊縫，只承受凸形構件所受力垂直于內折邊方向的分力。也就是說，焊縫的應力隨著凸形構件內凹處夾角（圖1的α角）的增大而增大，當角度為180度時，此縱縫就是典型的A類承力焊縫，必要時需要射線檢測。而當角度為0度時，理論上焊縫不受力。

2.2內拉結構分析

通過對內拉結構的介紹，可以看出，內拉結構的受力小于傳統圓形容器結構。那么，在材料用量方面，內拉結構的內壓容器是否具有優勢，下面對此進行檢驗。

鑒于當容器半徑較大時，壁厚對容器截面積的計算影響較小。因此為便于證明，假定不區分容器內半徑和外半徑，且氣體面積為，內壓容器壁厚故容器材料近似面積如式(3)所示。

式中：p為容器的內壓力，[σ ]代表內壓容器材料許用應力，r表示內壓容器半徑。

從式(3)中可以看出，圓形截面密封氣體的面積A和所用材料的面積S是成比例的，也就是說，在不考慮封頭的情況下，密封相同壓力相同體積的氣體，采用不同直徑的圓形截面容器所需的材料是相同的（僅僅是容器的數量不樣，但總的材料截面積相同）。

下面以四段凸形構件組成的罐為例對內拉結構的內壓容器截面積進行分析，其截面如圖3所示。其中殼體中凸體半徑為a。

圖3　四段凸形構件內壓容器截面分析圖

備注：實線表示壓力容器壁截面，虛線是為了說明而添加的線。

從圖1分析，此時內壓容器凸點各處應力相等。即容器各處壁厚相等。

同時，簡化此模型如下：

1）忽略壁厚對容積的影響；

2）僅比較截面積和容器壁截面長度的關系。

從圖3可以看出，整個罐被中心線劃分為四部分，分別為上凸、左凸、右凸和下凸部分。以上凸部分為例，殼體中凸體的長度為2.618a，密封的面積（上凸部分剖面線面積）為1.309a2；中間內拉件的長度為1.366a，所密封的面積（上凸下剖面線區域）為0.683a2。從中可見，兩者成線性比例關系，且整個壓力容器的截面長度為15.936a，以及整個密封面積為7.968a2。

對于截面半徑為a的圓形壓力容器，其周長為6.283a，其密封的面積為3.1415a2。可以發現，兩種容器的周長與面積對應比例皆為2:1。因此，從比例關系看，內拉結構壓力容器和圓形截面壓力容器具有同樣的優勢。

3　ANSYS數據分析以及應用設計

ANSYS軟件[8]是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，能與多數計算機輔助設計（CAD，computer Aided design）軟件接口，實現數據的共享和交換。ANSYS是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于體的大型通用有限元分析軟件。在核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用。目前，ANSYS軟件已成為進行有限元分析的標準軟件[9]。

3.1ANSYS應力分析

設定內壓容器中相鄰凸形構件和內拉機構的角度為120°，即。則應用ANSYS對內壓容器結構受力進行分析，如圖4所示。

圖4　ANSYS應力分析

通過式(2)分析可知，凸形構件和內拉機構的受力相同，而上圖選取的個點的應力也證明了這分析的正確性。同時，在相鄰兩凸形構件之間的區域，其應力近似是其他區域應力的半，在實際生產時，這里對應的是壓力容器的縱縫。但從應力值比較上看，它不是A類承力焊縫，在此將應力值較大的小于其他區域的焊縫稱為密封焊縫。這意味著這種結構雖然復雜，但焊接要求降低了。圖中所示的應力較大的點在凸形構件和內拉機構連接的尖角處，在設計時可以增大圓角來避免應力集中。

3.2應用設計

本文所設計的內壓容器特別適合應用于內壓較大但對容器的重量有較高要求的領域。以火箭燃料儲罐為例，通過應用本文所提出的內壓容器，對儲罐的結構進行設計，其側視、剖視、正視以及儲罐封頭如圖5所示。

圖5　內拉結構的火箭儲罐設計圖

圖5中各標號所述表示部件名稱列表如下所示：1：凸形構件；1-1：弧形板；1-2：弧形蓋殼；2：內凹接縫；3：筒體；4：封頭；5：中心連接件；6：徑向拉板；7：縱向輔助拉件；8：拉筋；9：人孔法蘭；10：內折邊。

圖5所示的火箭儲罐設計大致參數如下：弧形板采用6061-T6，弧形蓋殼采用5083-O，使用壓力為2.5MPa，爆破壓力8MPa，壁厚5mm。整體外徑3.3米，凸形構件數量16個，除去內拉結構，整體重量僅為常規圓形截面壓力容器重量的分之，在內拉結構采用高抗拉強度材料的情況下，整體重量有望控制在常規圓形截面壓力容器重量的半，即減重二分之，非常可觀。

4　結論

本文設計了基于內拉結構的新內壓容器，并對其原理和相關設計進行了探討。相對于傳統圓形容器設計，所采用的內拉結構能夠有效解決器壁與容器內壓之間的矛盾關系，從而有利于實現內壓容器的輕型化設計要求。雖然文中對內拉結構的受力以及凸形部分結合進行了分析和研究，且在內拉結構的基礎上設計了新的火箭燃料儲罐，然而考慮到內壓容器中不同材料的熱漲系數不樣，以及如何補償等具體應用問題，內拉結構的應用還需要進步研究，比如如何在縱向輔助拉件上增加波紋管等補償件，或在容器中心連接件上添加補償件，以及徑向拉板特殊設計等，以此滿足實際設計要求。

參考文獻：

[1] 劉小寧,張紅衛,劉岑,等.鋼制薄壁內壓容器靜強度的可靠性設計[J].工業安全與環保,2011,37(3):48-50.

[2] 游濤,陳剛,李清,等.靜強度參數區間分布的薄壁內壓容器可靠度[J].工業安全與環保,2013,39(12):50-53.

[3] GB150-1998.鋼制壓力容器[S].

[4] 韓豫,陳學東,劉全坤,等.基于應變強化技術的奧氏體不銹鋼壓力容器輕型化設計探討[J].壓力容器,2010,27(9):16-22.

[5] 林尚揚,于丹,于靜偉.壓力容器焊接新技術及其應用[J].壓力容器,2009,26(11):1-6.

[6] 劉瑜,馬良.基于元胞蟻群算法的臥氏內壓容器優化設計[J].化工機械,2010,37(1):17-22.

[7] 馬利,鄭津洋,壽比南,等.奧氏體不銹鋼制壓力容器強度裕度研究[J].壓力容器,2008,25(1):1-5.

[8] 林國慶,王茂廷.基于ANSYS軟件對壓力容器開孔接管區的應力與疲勞分析[J].化工機械,2011,35(02):10-15.

[9] 馬舒琪,陳玉明,吳定勇.基于ANSYS的尾礦壩靜、動力學穩定性分析[J].工業安全與環保,2011,37(7):15-20.

作者簡介：馬珍珍（1983 -），女，山東禹城人，工程師，學士，研究方向為壓力容器設計和航空通信技術。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（含超薄金屬內襯復合材料燃料貯箱變形協調控制機理研究90916008）

收稿日期：2015-10-29

中圖分類號：TQ051

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0074-04