基于Ansys有限元分析的應(yīng)變強化技術(shù)在低溫罐箱設(shè)計制造中的應(yīng)用

袁蛟　何遠新　熊珍艷　盧海

低溫罐箱廣泛應(yīng)用于化工、冶金、航空航天等領(lǐng)域。為了提高低溫罐箱的經(jīng)濟性，其輕型化設(shè)計日益受到重視。[1] 應(yīng)變強化技術(shù)是在一定條件下，通過加載應(yīng)力將奧氏體不銹鋼拉伸到塑性變形，然后卸載壓力，從而使奧氏體不銹鋼的屈服強度提高的技術(shù)。[2] 作為節(jié)材節(jié)能的綠色制造技術(shù)，應(yīng)變強化技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于低溫罐箱設(shè)計制造領(lǐng)域，以達到減小內(nèi)容器壁厚、減輕罐體質(zhì)量的目的;但由于缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐，需要通過大量的實驗研究獲得奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能參數(shù)。[3-4]受制造工藝的制約，在應(yīng)變強化技術(shù)應(yīng)用過程中需要控制罐體徑向塑性變形量，使其不大于罐體夾層最小間隙的1/5。本文利用Ansys軟件對不同加強圈結(jié)構(gòu)和不同壁厚的低溫罐箱罐體在應(yīng)變強化壓力下產(chǎn)生的塑性變形進行有限元分析，從而為應(yīng)變強化技術(shù)在低溫罐箱設(shè)計制造中的應(yīng)用提供支持。

1 建立低溫罐箱Ansys有限元分析模型

根據(jù)40英尺液化天然氣罐箱圖紙，利用三維建模軟件UG建立幾何模型。罐箱由框架、外罐及內(nèi)罐等組成，應(yīng)變強化技術(shù)僅應(yīng)用于內(nèi)罐，故只針對內(nèi)罐罐體及加強圈建立有限元分析模型。因內(nèi)罐罐體為軸對稱旋轉(zhuǎn)幾何體，罐體壁面受均勻壓力載荷，可將內(nèi)罐罐體簡化成平面軸對稱模型進行分析。將簡化后的幾何模型導(dǎo)入Ansys，在Ansys中劃分網(wǎng)格并設(shè)定材料參數(shù)[5]，其中：材料為奧氏體不銹鋼，彈性模量E=200 GPa，泊松比 =0.3，密度 =7.98 g/mm3。

2 基于Ansys有限元分析的應(yīng)變強化技術(shù)在低溫罐箱設(shè)計制造中的應(yīng)用

本文主要對不同加強圈結(jié)構(gòu)和不同壁厚的罐體在應(yīng)變強化壓力下產(chǎn)生的塑性變形進行有限元分析：有限元分析過程包括加載強化壓力（強化壓力取1.5倍設(shè)計壓力）、加載后卸壓和強化后再加載3個環(huán)節(jié);塑性變形量均為卸壓后罐體的徑向塑性變形量，夾層最小間隙為30 mm，故塑性變形量不宜大于6 mm。

2.1 確定最佳加強圈結(jié)構(gòu)

低溫罐箱加強圈常用結(jié)構(gòu)主要有一般結(jié)構(gòu)、增厚結(jié)構(gòu)、防波板結(jié)構(gòu)和U型鋼結(jié)構(gòu)。建立不同加強圈結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型（見圖1），計算在1.5 MPa強化壓力下的應(yīng)變強化過程：罐體徑向塑性變形如圖2所示，應(yīng)變強化后的塑性變形量見表1。

由圖2和表1可見，不同加強圈結(jié)構(gòu)的低溫罐箱罐體在強化壓力下產(chǎn)生的塑性變形量也各不相同。根據(jù)罐體塑性變形量的大小，加強圈結(jié)構(gòu)按照性能從高到低分別為U型鋼結(jié)構(gòu)、增厚結(jié)構(gòu)、防波板結(jié)構(gòu)、一般結(jié)構(gòu)。據(jù)此確定低溫罐箱最佳加強圈結(jié)構(gòu)為U型鋼結(jié)構(gòu)，罐體塑性變形量為0.44 mm，滿足制造工藝要求。

2.2 確定最佳罐體壁厚

根據(jù)設(shè)計方案，分別對壁厚為4.5 mm、5.0 mm、5.5 mm和的罐體進行應(yīng)變強化壓力為的塑性變形有限元分析計算。由圖3～6可見：壁厚5.0 mm、5.5 mm和6.0 mm罐體在強化壓力下的塑性變形量均滿足要求;壁厚4.5 mm罐體在應(yīng)變強化壓力下的塑性變形量不滿足要求。

由于壁厚越薄罐體質(zhì)量越輕，在滿足要求的條件下應(yīng)盡可能減薄壁厚，故分別對壁厚為4.6 mm、4.7 mm、4.8 mm和的罐體進行強化壓力為的塑性變形有限元分析計算。由圖7～10可見，罐體在應(yīng)變強化壓力下所產(chǎn)生的塑性變形量隨罐體壁厚的變化而變化。由表2可見，在相同的應(yīng)變強化壓力下，罐體塑性變形量隨罐體壁厚的增加而減小。在滿足塑性變形量要求的條件下，所能選取的罐體最小壁厚為4.8 mm;因此，40英尺液化天然氣罐箱在1.5 MPa強化壓力下的罐體最佳壁厚為4.8 mm。

3 結(jié)束語

本文利用Ansys軟件對不同加強圈結(jié)構(gòu)和不同壁厚的低溫罐箱罐體在應(yīng)變強化壓力下產(chǎn)生的塑性變形進行有限元分析計算，結(jié)果顯示：（1）低溫罐箱最佳加強圈結(jié)構(gòu)為U型鋼結(jié)構(gòu);（2）應(yīng)變強化壓力引起的罐體塑性變形量與罐體壁厚成反比，在滿足罐體塑性變形量要求的條件下，罐體最佳壁厚為。

參考文獻：

[1] 馮小松. 應(yīng)變強化技術(shù)在低溫儲罐輕型化設(shè)計中的應(yīng)用[D]. 北京：北京化工大學(xué)，2012.

[2] 趙洪濤. 應(yīng)變強化技術(shù)在LNG低溫儲罐中的應(yīng)用[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2019.

[3] 薛智超，彭劍，汪林海，等. 應(yīng)變強化對S30403與S30408不銹鋼力學(xué)性能影響的對比研究[J/OL]. 熱加工工藝， 2022（6）：26-31[2021-10-21]. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/61. 1133.TG.20211021.1512.003.html. DOI：10.14158/j.cnki.1001- 3814.20201136.

[4] 侯浩，趙建平. 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強化容器結(jié)構(gòu)的可靠度分析[J].機械設(shè)計與制造，2014（7）：55-57.

[5] 張向宇，熊計，郝鋅，等. 基于Ansys的立柱有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 機械科學(xué)與技術(shù)，2008，27（12）：1602- 1605.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-12-17）99CA921C-5BC9-4639-B5DB-80190C5E814C