基于內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的新型內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)探討

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

馬珍珍

（中國(guó)航天科技集團(tuán)五院513所，煙臺(tái) 264000）

MA Zhen-zhen

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基于內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的新型內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)探討

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

馬珍珍

（中國(guó)航天科技集團(tuán)五院513所，煙臺(tái) 264000）

MA Zhen-zhen

摘要：為解決傳統(tǒng)內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)上存在容器壁厚與容器直徑之間的矛盾關(guān)系這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的新內(nèi)壓容器方案。首先對(duì)內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的基本原理和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)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(nèi)拉結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)圓形截面的優(yōu)勢(shì)，最后提出了一種基于新內(nèi)壓容器的火箭燃料儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了探討研究。通過(guò)理論分析和ANSYS建模證明，所提出的內(nèi)拉結(jié)構(gòu)能夠更好地實(shí)現(xiàn)內(nèi)壓容器的輕型化設(shè)計(jì)理念和綠色經(jīng)濟(jì)的制造要求，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：內(nèi)壓容器；內(nèi)拉結(jié)構(gòu)；輕型化設(shè)計(jì)；ANSYS建模

0　引言

壓力容器[1]是目前廣泛應(yīng)用于石油、能源、化工與航空等領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。為節(jié)約材料、降低制造、運(yùn)輸和安裝成本，實(shí)現(xiàn)安全與節(jié)約資源并舉、穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)平衡的制造要求，壓力容器的輕型化設(shè)計(jì)成為了該制造行業(yè)的主導(dǎo)發(fā)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(guò)減少壁厚來(lái)達(dá)到減輕容器重量。傳統(tǒng)的內(nèi)壓容器質(zhì)地多以金屬材料、復(fù)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(biāo)準(zhǔn)要求，同種材料在壓力定的情況下，壓力容器的計(jì)算壁厚只與容器直徑有關(guān)，這就導(dǎo)致容器容量與容器壁厚之間存在的矛盾關(guān)系。以往多采用新型材料和強(qiáng)化技術(shù)來(lái)解決這問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于應(yīng)變強(qiáng)化的奧氏體壓力容器，對(duì)容器筒體部分的應(yīng)變強(qiáng)化進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[5]對(duì)壓力容器中的焊接技術(shù)進(jìn)行探討，在器壁輕型化設(shè)計(jì)的前提下保證容器的質(zhì)量、可靠性；文獻(xiàn)[6]采用元胞蟻群算法對(duì)容器設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)在滿(mǎn)足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求下，得到最佳設(shè)計(jì)方案的目的；文獻(xiàn)[7]對(duì)奧氏體壓力容器的強(qiáng)度裕度進(jìn)行了研究，以期找出強(qiáng)度與壁厚平衡點(diǎn)。但這些方法存在的主要問(wèn)題是，沒(méi)能突破圓形截面對(duì)壓力容器的限制，對(duì)于某些特殊要求，所進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用前景不大。本文針對(duì)這問(wèn)題，設(shè)計(jì)了種基于異形內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的新型內(nèi)壓容器，新型內(nèi)壓容器通過(guò)增加內(nèi)拉結(jié)構(gòu)以減小容器壁圓弧半徑，從而達(dá)到減少容器壁厚降低加工成本和實(shí)現(xiàn)容器輕型化的目的。

1　內(nèi)壓容器壁厚設(shè)計(jì)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)要求，容器壁厚δ與內(nèi)壓強(qiáng)pc之間的關(guān)系如式(1)所示。

目前，金屬材質(zhì)的壓力容器，受限于金屬自身相對(duì)不高的抗拉強(qiáng)度，存儲(chǔ)相同安全系數(shù)以及密封相同壓力體積氣(液)體時(shí)，容器自身重量較重；采用復(fù)合材料的壓力容器，雖然有定優(yōu)勢(shì)，其纖維(承力構(gòu)件)的抗拉強(qiáng)度很高，但是還需要有密封構(gòu)件—樹(shù)脂，這無(wú)疑增加了壓力容器的重量，同時(shí)成本也較高。例如，在汽車(chē)行業(yè)使用的復(fù)合材料液化石油氣儲(chǔ)罐僅比相同規(guī)格的鋁罐輕分之左右，而造價(jià)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(zhǎng)征2E火箭的燃料儲(chǔ)罐還直采用傳統(tǒng)鋁罐，而不使用新材料的原因。

2　基于內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓容器

2.1內(nèi)拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)式(1)的分析和對(duì)Dt含義的解釋?zhuān)疚耐ㄟ^(guò)增加減小內(nèi)壓容器壁圓弧半徑以降低對(duì)壁厚要求，其所設(shè)計(jì)的內(nèi)壓容器內(nèi)部截面如圖1所示。

圖1　內(nèi)壓容器內(nèi)部截圖

如圖所示，所設(shè)計(jì)的容器殼體由多個(gè)凸形構(gòu)件組成，其中凸形構(gòu)件與容器中心通過(guò)內(nèi)拉結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。殼體內(nèi)部受壓時(shí)，凸形構(gòu)件受到的力通過(guò)角度α傳遞給內(nèi)拉機(jī)構(gòu)，且凸形構(gòu)件的計(jì)算壁厚僅與內(nèi)壓力和自身半徑有關(guān)。

內(nèi)拉機(jī)構(gòu)所受的力F內(nèi)與凸形構(gòu)件所受的力F凸?jié)M足力的矢量合成，即隨著凸形構(gòu)件所受的力增大而增大，并與角度a相反。F內(nèi)與F凸的計(jì)算關(guān)系如式(2)所示。

在內(nèi)拉結(jié)構(gòu)中，兩凸形構(gòu)件間的連接區(qū)域設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　兩凸形構(gòu)件間的連接圖

如圖2所示，兩凸形構(gòu)件間為內(nèi)折邊，且兩內(nèi)折邊重合，增加了強(qiáng)度，避免了F內(nèi)的應(yīng)力集中，同時(shí)也允許在其上打孔周向內(nèi)拉，或者徑向內(nèi)拉。凸形構(gòu)件內(nèi)凹區(qū)域的焊縫，只承受凸形構(gòu)件所受力垂直于內(nèi)折邊方向的分力。也就是說(shuō)，焊縫的應(yīng)力隨著凸形構(gòu)件內(nèi)凹處夾角（圖1的α角）的增大而增大，當(dāng)角度為180度時(shí)，此縱縫就是典型的A類(lèi)承力焊縫，必要時(shí)需要射線(xiàn)檢測(cè)。而當(dāng)角度為0度時(shí)，理論上焊縫不受力。

2.2內(nèi)拉結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)對(duì)內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的介紹，可以看出，內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的受力小于傳統(tǒng)圓形容器結(jié)構(gòu)。那么，在材料用量方面，內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓容器是否具有優(yōu)勢(shì)，下面對(duì)此進(jìn)行檢驗(yàn)。

鑒于當(dāng)容器半徑較大時(shí)，壁厚對(duì)容器截面積的計(jì)算影響較小。因此為便于證明，假定不區(qū)分容器內(nèi)半徑和外半徑，且氣體面積為，內(nèi)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(nèi)壓力，[σ ]代表內(nèi)壓容器材料許用應(yīng)力，r表示內(nèi)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(shuō)，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(shù)量不樣，但總的材料截面積相同）。

下面以四段凸形構(gòu)件組成的罐為例對(duì)內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓容器截面積進(jìn)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(gòu)件內(nèi)壓容器截面分析圖

備注：實(shí)線(xiàn)表示壓力容器壁截面，虛線(xiàn)是為了說(shuō)明而添加的線(xiàn)。

從圖1分析，此時(shí)內(nèi)壓容器凸點(diǎn)各處應(yīng)力相等。即容器各處壁厚相等。

同時(shí)，簡(jiǎn)化此模型如下：

1）忽略壁厚對(duì)容積的影響；

2）僅比較截面積和容器壁截面長(zhǎng)度的關(guān)系。

從圖3可以看出，整個(gè)罐被中心線(xiàn)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(zhǎng)度為2.618a，密封的面積（上凸部分剖面線(xiàn)面積）為1.309a2；中間內(nèi)拉件的長(zhǎng)度為1.366a，所密封的面積（上凸下剖面線(xiàn)區(qū)域）為0.683a2。從中可見(jiàn)，兩者成線(xiàn)性比例關(guān)系，且整個(gè)壓力容器的截面長(zhǎng)度為15.936a，以及整個(gè)密封面積為7.968a2。

對(duì)于截面半徑為a的圓形壓力容器，其周長(zhǎng)為6.283a，其密封的面積為3.1415a2。可以發(fā)現(xiàn)，兩種容器的周長(zhǎng)與面積對(duì)應(yīng)比例皆為2:1。因此，從比例關(guān)系看，內(nèi)拉結(jié)構(gòu)壓力容器和圓形截面壓力容器具有同樣的優(yōu)勢(shì)。

3　ANSYS數(shù)據(jù)分析以及應(yīng)用設(shè)計(jì)

ANSYS軟件[8]是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，computer Aided design）軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，ANSYS軟件已成為進(jìn)行有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件[9]。

3.1ANSYS應(yīng)力分析

設(shè)定內(nèi)壓容器中相鄰?fù)剐螛?gòu)件和內(nèi)拉機(jī)構(gòu)的角度為120°，即。則應(yīng)用ANSYS對(duì)內(nèi)壓容器結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4　ANSYS應(yīng)力分析

通過(guò)式(2)分析可知，凸形構(gòu)件和內(nèi)拉機(jī)構(gòu)的受力相同，而上圖選取的個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力也證明了這分析的正確性。同時(shí)，在相鄰兩凸形構(gòu)件之間的區(qū)域，其應(yīng)力近似是其他區(qū)域應(yīng)力的半，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，這里對(duì)應(yīng)的是壓力容器的縱縫。但從應(yīng)力值比較上看，它不是A類(lèi)承力焊縫，在此將應(yīng)力值較大的小于其他區(qū)域的焊縫稱(chēng)為密封焊縫。這意味著這種結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但焊接要求降低了。圖中所示的應(yīng)力較大的點(diǎn)在凸形構(gòu)件和內(nèi)拉機(jī)構(gòu)連接的尖角處，在設(shè)計(jì)時(shí)可以增大圓角來(lái)避免應(yīng)力集中。

3.2應(yīng)用設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的內(nèi)壓容器特別適合應(yīng)用于內(nèi)壓較大但對(duì)容器的重量有較高要求的領(lǐng)域。以火箭燃料儲(chǔ)罐為例，通過(guò)應(yīng)用本文所提出的內(nèi)壓容器，對(duì)儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其側(cè)視、剖視、正視以及儲(chǔ)罐封頭如圖5所示。

圖5　內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的火箭儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)圖

圖5中各標(biāo)號(hào)所述表示部件名稱(chēng)列表如下所示：1：凸形構(gòu)件；1-1：弧形板；1-2：弧形蓋殼；2：內(nèi)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(nèi)折邊。

圖5所示的火箭儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)大致參數(shù)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(gòu)件數(shù)量16個(gè)，除去內(nèi)拉結(jié)構(gòu)，整體重量?jī)H為常規(guī)圓形截面壓力容器重量的分之，在內(nèi)拉結(jié)構(gòu)采用高抗拉強(qiáng)度材料的情況下，整體重量有望控制在常規(guī)圓形截面壓力容器重量的半，即減重二分之，非?？捎^。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的新內(nèi)壓容器，并對(duì)其原理和相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。相對(duì)于傳統(tǒng)圓形容器設(shè)計(jì)，所采用的內(nèi)拉結(jié)構(gòu)能夠有效解決器壁與容器內(nèi)壓之間的矛盾關(guān)系，從而有利于實(shí)現(xiàn)內(nèi)壓容器的輕型化設(shè)計(jì)要求。雖然文中對(duì)內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的受力以及凸形部分結(jié)合進(jìn)行了分析和研究，且在內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新的火箭燃料儲(chǔ)罐，然而考慮到內(nèi)壓容器中不同材料的熱漲系數(shù)不樣，以及如何補(bǔ)償?shù)染唧w應(yīng)用問(wèn)題，內(nèi)拉結(jié)構(gòu)的應(yīng)用還需要進(jìn)步研究，比如如何在縱向輔助拉件上增加波紋管等補(bǔ)償件，或在容器中心連接件上添加補(bǔ)償件，以及徑向拉板特殊設(shè)計(jì)等，以此滿(mǎn)足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

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作者簡(jiǎn)介：馬珍珍（1983 -），女，山東禹城人，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)閴毫θ萜髟O(shè)計(jì)和航空通信技術(shù)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（含超薄金屬內(nèi)襯復(fù)合材料燃料貯箱變形協(xié)調(diào)控制機(jī)理研究90916008）

收稿日期：2015-10-29

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0074-04