深冷壓力容器應變強化過程數值分析

景鵬飛 謝陽紫 董鑫

摘 ? ? ?要：通過對滿足《移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求》（T/CATSI05001—2018）及《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內容器應變強化技術規定》（GB/T18442.7—2017）要求的樣品容器進行應變強化工藝數值仿真，以掌握采用應變強化工藝造成筒體的塑性變形的部位及變形量的規律。

關 ?鍵 ?詞：壓力容器;應變強化;應變;應力;有限元;強度

中圖分類號：TQ 018 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2347-05

Abstract： Taking the pressure ?vessel meeting T/CATSI05001—2018 “Transportable vacuum insulated cryogenic pressure vessels—requirement of pressure strengthening for inner vessels" and GB/T18442.7—2017 “Static vacuum insulated cryogenic pressure ?vessels — Part 7： Rules of pressure strengthening for inner vessels” as a research object， strain strengthening processing numerical simulation was carried out in order to grasp the rules of the position and the amount of deformation caused by the plastic deformation of the cylinder body by the strain strengthening process.

Key words： Strain-strengthening; Strain ; Stress ; Finite element ; Strength

奧式體不銹鋼因其特殊的構造，應力應變行為不同于普通鋼材，無明顯的屈服平臺，屈服強度和強拉強度之間應變硬化段較長，室溫延伸率≥40%。常規壓力容器是基于彈性設計準則設計的，通過限定危險截面應力值低于材料許用應力值，以保證容器的安全使用，如需要增強容器承載能力，常通過增加厚度、降低應力的方法，需消耗大量的鋼材，而奧式體不銹鋼本身價格較高，傳統壓力容器設計會造成成本較高的情況[1]。為適應彈性設計準則設計的要求，通過強化加載、卸載，以永久性塑性變形奧式體不銹鋼材料，提高奧式體不銹鋼屈服強度，此種應變強化的方法，可減少20%～50%的鋼材用量[2]，大大地提高了經濟效益，在移動式真空絕熱深冷壓力容器的內容器中有很大的使用空間。

1 ?分析

根據《移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求》（T/CATSI05001—2018），采用應變強化技術制造深冷壓力容器前，制造企業應當先試制樣品容器，對樣品容器進行應變強化工藝驗證，以保證整個工藝過程的板材得到合格的強化。強化工藝過程中包括加壓強化、保壓和卸載，以及重新加載到耐壓試驗壓力、設計壓力[3]。本文通過對滿足《移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求》（T/CATSI05001—2018）要求的樣品容器進行應變強化工藝數值仿真，其結果將與試驗結果對比，以掌握采用應變強化工藝造成筒體的塑性變形的部位及變形量的規律。

2 ?設計參數

本文根據《移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求》（T/CATSI05001—2018）及《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內容器應變強化技術規定》（GB/T18442.7—2017）附錄C的要求[4]，以某汽車制造有限公司生產試驗的樣品容器為例，進行應變強化工藝數值仿真。樣品容器的設計參數與結構要求滿足《移動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求》（T/CATSI ? ? ?05001—2018）及《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內容器應變強化技術規定》（GB/T ? ?18442.7—2017）附錄C的要求。設計的樣品容器材料參照 ASME SA-240 標準選擇牌號為 304 奧氏體不銹鋼，采用標準橢圓形封頭。樣品容器設計參數見表 1，簡圖見圖1。

3 ?非線性力學分析模型

在應變強化壓力加載過程中，樣品容器殼體材料大部分區域進入塑性階段，相關部分產生了明顯的塑性變形。因此分析時必須考慮材料的非線性特性。在進行數字模擬時，為了通過數值仿真模擬樣品容器的應變強化過程，本報告采用大型有限元軟件ANSYS WORKBENCH進行非線性有限元分析。在進行有限元分析前，用材料的真應力-應變曲線構建樣品容器的本構模型，同時考慮結構大變形帶來的幾何非線性。

3.1 ?實體模型

由于樣品容器的進出水口、壓力表口接管開孔直徑所占部分的面積均較小，其應力應變水平較低，在實體建模過程中將忽略。樣品容器的實體模型如圖2所示。

3.2 ?材料本構模型

ANSYS WORKBENC提供了多種塑性材料本構模型，包括雙線性等向強化模型、多線性等向強化模型、雙線性隨動模型、多線性隨動強化模型等。考慮到實際應變強化過程中，樣品容器材料大部分進入塑性階段，分析時必須考慮材料的非線性特性，因此本文中選用適用于大變形分析的多線性等向強化模型，并采用材料的真實應力-應變曲線（真實應力-應變曲線由同批次板材通過拉伸試驗得到），如圖3所示。

3.3 ?網格劃分

有限元網格采用高階三維實體單元Solid186，該單元是含中節點的3-D六面體單元。它能夠模擬不規則形狀的單元而精度沒有損失，在準確的彈塑性計算過程中保持較高的精度。同時，Solid186單元具有塑性、蠕變、應力強化、大變形和大應變等能力，適合于本文所涉及的樣品容器應變。

網格采用掃略和單元尺寸控制相結合的方式對幾何模型進行了網格化，如圖4所示。對于筒體加強圈處、筒體和封頭之間的總體結構不連續區域，應細化網格。

3.4 ?有限元模型邊界條件加載

按照《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內容器應變強化技術規定》（GB/T 18442.7—2017）附錄C中的要求，罐體不設約束性條件。筒體內壁施加壓力，加壓過程為升壓至設計壓力-升壓至強化壓 ?力-卸載壓力-再次升壓至設計壓力-卸載壓力。

4 ?應力應變計算結果

4.1 ?強化壓力下的結果

根據有限元模型模擬計算，得到經過加壓、保壓直至變形穩定的強化壓力下樣品容器的應力應變狀態。強化壓力下，樣品容器整體的Von Mises等效應力、等效彈塑性應變見圖5和圖6。強化壓力下容器各處的最大Von Mises應力和最大等效彈塑性應變見表2。

根據圖5、圖6和表2，對強化壓力下樣品容器的應力應變進行分析。筒體遠離結構不連續處的最大等效彈塑性應變為3.74%，且每個筒節的最大環向變形均發生在中間筒節與筒節的焊縫部位，實施應變強化工藝時可在此處對筒體周長進行測量。在整個強化過程中，彈塑性分析結果收斂，容器不會出現強度破壞的失效現象[5]。

4.2 ?強化壓力卸載后的結果

樣品容器在強化壓力下產生了永久的塑性變形，在整體上有效地提高了各結構材料的屈服強度。壓力卸載時，各結構應力逐漸減低，當壓力為零時，筒體部位應力接近于零，而局部區域存在殘余應力。筒體的最大塑性應變為3.6%，見圖7。

4.3 ?加載至耐壓試驗壓力后的結果

卸載后再加載至耐壓試驗壓力時，樣品容器整體的Von Mises等效應力和等效彈性應變分別見圖8和圖9。耐壓試驗壓力下容器各處的最大Von Mises應力和最大等效彈性應變見表3。

根據圖8、圖9、表3分析可知，樣品容器加載到耐壓試驗壓力時，容器內沒有產生新的塑性變形。在整個強化過程中，容器不會出現強度破壞的失效現象。

4.4 ?加載至設計壓力下的計算結果

再次加載到設計壓力，此時樣品容器整體的Von Mises等效應力和等效彈性應變分別見圖10和圖11以及表4。在加載到設計壓力過程中，最大等效彈性應變為0.10。

5 ?結 論

采用有限元力學分析模型對樣品容器進行應變強化過程的非線性分析，得到結果如下：

1）強化壓力下，筒體最大Von Mises等效應力為316 MPa，最大等效彈塑性應變為3.74%，最大等效塑性應變為3.58%，最大等效彈性應變為0.16%，筒節的最大環向變形均發生在中間偏筒節與筒節的焊縫部位，實施應變強化工藝時可在此處對筒體周長進行測量。

2）強化壓力卸載后，容器筒體應力接近為零，筒體的最大塑性應變為3.58%。

3）加載到耐壓試驗壓力時，筒體最大Von Mises等效應力為278 MPa，該過程中容器沒有產生新的塑性變形，耐壓試驗壓力下筒體最大等效彈性應變為0.14%。

4）加載到設計壓力時，筒體最大Von Mises等效應力為196 MPa，該過程中容器沒有產生新的塑性變形，設計壓力下筒體最大等效彈性應變為0.10%，強化過程基本滿足要求。

5）有限元力學分析模型對樣品容器進行應變強化過程的非線性分析結果與最終試驗結果偏差較小，對強化試驗有一定的預估和指導作用。

參考文獻：

[1] 汪志福，孔韋海. 奧氏體不銹鋼壓力容器應變強化技術探討[J]. 化學工程與裝備，2013（12）：106-107.

[2]陳挺，王步美，徐濤，等. 奧氏體不銹鋼壓力容器應變強化技術的發展及國外標準比較[J]. 機械工程材料，2012，36（3）：1-3.

[3] T/CATSI 05001—2018，動式真空絕熱深冷壓力容器內容器應變強化技術要求[S].

[4]GB/T 18442.7—2017， 固定式真空絕熱深冷壓力容器 第7部分：內容器應變強化技術規定[S] .

[5]ASME VIII Division 2，Alternative rules for construction of pressure vessels[S] .

[6]JB/T 4732—1995，鋼制壓力容器—分析設計標準[S] .