一種基于ANSYS的機載高壓氧氣瓶設(shè)計與驗證

林樂剛， 盧猛， 姚宇， 王俊麗

（中國空空導(dǎo)彈研究院 凱邁（洛陽）氣源有限公司，河南 洛陽471000）

0 引言

高壓氣瓶是高壓氣體存儲的主要裝置，主要應(yīng)用于航空航天、車載武器裝備、紅外制冷系統(tǒng)、發(fā)動機及醫(yī)療等領(lǐng)域,通過高壓氣瓶充裝高壓氣體，配套瓶閥減壓穩(wěn)定輸出，形成的穩(wěn)定氣體供應(yīng)。

應(yīng)用于航空航天的高壓氣瓶，各項性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面裝備、民用高壓容器，常需具有體積小、質(zhì)量輕、壓力高、環(huán)境適應(yīng)能力強等特點。本文著重探討一種機載高壓氧氣瓶的設(shè)計和應(yīng)用，并通過ANSYS進行強度有限元分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后樣機生產(chǎn)、試驗驗證其理論計算的正確性，為工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 設(shè)計方案

1.1 結(jié)構(gòu)選擇

根據(jù)總體空間要求，氣瓶可利用空間為φ150 mm×500 mm圓柱空間，容積為不小于5 L，根據(jù)空間可設(shè)計為單體圓柱結(jié)構(gòu)、多球鏈狀結(jié)構(gòu)，多球鏈狀結(jié)構(gòu)氣瓶可等效為球形，在相同容積下其結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，承壓性能非常好，但受空間容積限制，狹長空間利用率較低、生產(chǎn)工藝較差，在此空間下氣瓶容積僅有3.6 L，不滿足使用要求。圓柱氣瓶結(jié)構(gòu)簡單，承壓性能良好，空間利用率較高，為高壓容器常用結(jié)構(gòu)，因此選擇單體圓柱結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。

1.2 材料選擇

圖1 氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)要求，氣瓶圓柱結(jié)構(gòu)，可選用合金鋼、不銹鋼、鈦合金，其中合金鋼易采用拉伸、旋壓成型，材料成本較低，但該材料性能差，容易生銹、腐蝕，氣瓶質(zhì)量較重，定檢周期較短（5 a），檢測項目復(fù)雜，適合于對質(zhì)量無要求、易拆卸的地面裝備；鈦合金材料密度低、強度高，但材料成本較高，且不適合氧氣用。優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料強度高、抗銹蝕能力強、機加工性好、焊接性能良好，性價比優(yōu)，是目前先進裝備常用材料，已廣泛定型應(yīng)用在飛機、導(dǎo)彈、魚雷、戰(zhàn)車、地面設(shè)備等各種武器裝備上。因此該氣瓶材料選擇優(yōu)質(zhì)航空耐熱不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，該材料主要成分如表1所示。

表1 不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb材料主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

該鋼具有較高的強度、耐腐蝕、抗氧化、易焊接、易加工，在鹽霧、海洋環(huán)境性能優(yōu)越，該材料廣泛應(yīng)用于航空、航天400 ℃以下工作的重要承壓、受力器件、高強度耐蝕零件，材料性能：σb≥1300 MPa、σ0.2≥1180 MPa、δ5≥10%，ψ≥40%。

1.3 氣瓶外形尺寸設(shè)計與計算

圓柱形氣瓶采用數(shù)控車削加工，外形公差較小，在設(shè)計計算過程中充分考慮到氣瓶最終安裝、表面加工及噴漆等因素產(chǎn)生的公差，氣瓶直徑取140 mm；在設(shè)計計算過程中充分考慮到氣瓶加工、焊接可能產(chǎn)生的長度公差，總長度取480 mm滿足總體φ150×500 mm的空間尺寸要求。

氣瓶瓶頭、瓶尾、圓柱段采用相對等強度設(shè)計，氣瓶工作壓力25 MPa，安全系數(shù)取n=3，爆破壓力Pb=nP=75 MPa。氣瓶最小壁厚計算公式[2]為：

式中：s為壁厚，mm；Do為氣瓶外徑，mm；Pb為爆破壓力，MPa；φ為焊接系數(shù)，由設(shè)計單位確定，一般取0.9～1.0；[σ]為材料最大許用應(yīng)力，MPa;c為腐蝕裕度，由設(shè)計單位確定，一般取0.2～0.5 mm。

得圓柱段壁厚s柱≥4.1 mm，這里考慮到氣瓶的重復(fù)使用年限、加工公差及腐蝕裕度等因素，取s柱=4.5 mm，則氣瓶內(nèi)徑d=D-2s柱=131 mm。

球形封頭壁厚s球≥2.1 mm，這里考慮到氣瓶的重復(fù)使用年限、加工公差及腐蝕裕度等因素，取s球=2.5 mm。此時，圓柱段安全系數(shù)n柱=3.4，圓球段理論安全系數(shù)n球=3.7。由此可見，氣瓶的最小安全系數(shù)n=3.4，優(yōu)于HB6134-87航空氣瓶通用技術(shù)條件的安全系數(shù)3的要求。根據(jù)氣瓶外形尺寸D=140 mm，L=480 mm，s柱=4.5 mm，s球=2.5 mm，考慮加工公差及焊接變形等因素，圓柱段長度為330 mm。氣瓶瓶頭含有進氣接口及連接螺紋，瓶頭和瓶尾形狀均由圓柱段和球面組成，圓柱段與球面內(nèi)壁采取等徑連接，外表面球面通過線切線過渡連接，瓶頭和瓶尾通過數(shù)控機加工，在圓柱段處經(jīng)氬弧焊接方式成型。氣瓶外形尺寸示意如圖2所示，滿足總體要求。

根據(jù)氣瓶的設(shè)計尺寸三維模擬，氣瓶的容積為：V=5.5 L,滿足不小于5 L的要求。通過氣瓶尺寸三維模擬得氣瓶凈重G瓶≈4.93 kg，滿足G瓶≤5 kg的技術(shù)要求。

1.4 強度有限元分析

基于ANSYS對氣瓶的三維模型進行強度應(yīng)力分析[3-4]，氣瓶工作壓力為25 MPa，考慮到環(huán)境溫度、充氣發(fā)熱對氣體壓力的影響，根據(jù)HB 6134-87 航空氣瓶通用技術(shù)條件，氣瓶一般進行5/3倍工作壓力的強度試驗，經(jīng)計算的強度壓力為41.7 MPa，計算時取42 MPa。氣瓶內(nèi)部承受42 MPa壓力時的應(yīng)力分析如圖3所示，氣瓶在42 MPa條件下，氣瓶肩部受應(yīng)力最大為603 MPa，遠(yuǎn)小于氣瓶屈服強度σ0.2≥1180 MPa，彈性形變較小，這時氣瓶材料的彈性及變形量較穩(wěn)定，具有長期承受額定工作壓力的能力，安全性有保障。

圖2 氣瓶外形尺寸圖

圖3 42 MPa應(yīng)力分析圖

對氣瓶爆破應(yīng)力進行分析校核，氣瓶應(yīng)能承受3倍以上工作壓力的破壞性試驗，工作壓力為25 MPa，因此內(nèi)部承受75 MPa爆破壓力時的應(yīng)力分析如圖4所示。氣瓶在75 MPa條件下，氣瓶肩部材料受內(nèi)部張應(yīng)力最大為1220 MPa，小于氣瓶抗拉強度σb≥1300 MPa，此時圓柱段徑向位移為0.32 mm，瓶體軸向位移為0.58 mm，產(chǎn)生的塑性形變小于材料延伸率和斷面收縮率，具有抗爆破能力，安全性有保障。根據(jù)應(yīng)力分析，對瓶肩過渡處圓滑過渡設(shè)計優(yōu)化處理后進行樣機加工生產(chǎn)。

圖4 75 MPa應(yīng)力分析圖

2 加工工藝設(shè)計

氣瓶選用不銹鋼材料，綜合考慮現(xiàn)有成熟設(shè)計方法和制造手段，且盡可能采用成熟技術(shù)，加工形式主要采用數(shù)控冷加工，成型形式采用氬弧焊接形式。表面處理形式采用鈍化和噴漆形式。產(chǎn)品配套零件加工工藝流程圖如圖5所示，氣瓶成型加工工藝流程如圖6所示。

高壓氣瓶成型焊接形式優(yōu)選氬弧焊，焊縫單面焊雙面成型，由于氣瓶壁厚大于2 mm，焊縫接頭處按標(biāo)準(zhǔn)要求加工坡口以保證焊縫成形及焊接質(zhì)量。氣瓶焊縫焊后100%經(jīng)過探傷檢查，氣瓶焊接實物如圖7所示。

圖5 產(chǎn)品零件加工工藝流程圖

圖6 氣瓶加工工藝流程圖

圖7 高壓氣瓶實物圖

3 試驗研究

按照減壓器的工作原理及理論設(shè)計所得的參數(shù)，試制出高壓氧氣瓶樣機，并通過試驗測試驗證了氧氣瓶的外形尺寸、容積、強度試驗、氣密試驗、爆破試驗、疲勞試驗滿足設(shè)計及總體使用要求；通過與機載設(shè)備試飛試驗驗證了該高壓氧氣瓶滿足壞境適應(yīng)性的要求。

1）強度、爆破安全性。氣瓶在裝機前100%進行強度試驗，該試驗需在全自動強度試驗機防爆箱中進行，試驗壓力為1.6倍以上工作壓力（42 MPa），試驗后，氣瓶均無泄漏。為了驗證每批氣瓶的安全裕度，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求抽取一定數(shù)量的氣瓶進行爆破試驗，爆破壓力應(yīng)不小于3倍工作壓力，氣瓶爆破時不應(yīng)產(chǎn)生碎片，爆破口應(yīng)呈撕裂狀，通過爆破試驗，可進一步驗證氣瓶的安全性能。該氣瓶經(jīng)過78 MPa試驗后，氣瓶未破，滿足安全性要求，如圖8所示。

圖8 全自動強度試驗設(shè)備

2）疲勞安全性。產(chǎn)品設(shè)計時考慮了產(chǎn)品總壽命，氣瓶材料采用了優(yōu)質(zhì)不銹鋼，氣瓶經(jīng)氬弧焊接成型，經(jīng)探傷檢測合格并經(jīng)時效處理，內(nèi)部應(yīng)力較小，可按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)抽取一定數(shù)量的氣瓶進行疲勞壽命考核試驗，疲勞試驗在自動疲勞設(shè)備防爆箱中進行，設(shè)備如圖9所示。氣瓶以0.1P～1.2P～0.1P（P為工作壓力）為一個壓力循環(huán)周期，經(jīng)受20 000個循環(huán)周期后，氣瓶無滲漏，無變形。高壓氣瓶經(jīng)過樣機試驗驗證，主要實測性能指標(biāo)如表2所示。

圖9 全自動疲勞試驗設(shè)備

4 結(jié)語

1）本文介紹了一種機載設(shè)備用高壓氧氣瓶的理論計算方法，并通過有限元應(yīng)力仿真、樣機試制、試驗驗證及隨總體試飛驗證了該理論設(shè)計的正確性。該高壓氣瓶具有承壓好、密封性好、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于某航天飛行器氣動系統(tǒng)，它的研制為同類產(chǎn)品的研制提供了可借鑒的方法。

2）綜合以上理論分析和試驗結(jié)果表明，該設(shè)計方法是進行氣體減壓器設(shè)計的有效方法，并且通過試驗測試得出各因素對減壓器性能的影響，并得到其中的變化規(guī)律，這些影響及變化規(guī)律可以應(yīng)用至減壓器的理論設(shè)計中，并為后續(xù)減壓器的優(yōu)化設(shè)計提供了有力的參考。

表2 主要性能指標(biāo)