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球形金屬高壓容器強度有限元分析方法

發布于:2022-01-02 21:54
有限元分析

     航空航天中,一般用超高強度鋼制作薄壁球形容器,以貯存氧、氮氣體供人員呼吸及補充座艙大氣泄漏,它是生保系統的關鍵件之一。由于航空航天的特殊要求,氣瓶必須壁薄、重量輕、容積大、耐壓高,這就存在強度和安全可靠性的矛盾。為此,必須對工作狀態下高壓氣瓶進行精確的強度有限元分析,使高壓氣瓶具備前述特點,以確保高壓容器的安全可靠。
     在設計、生產、試驗、檢驗等各環節中,嚴格地按照技術條件、工藝規范和相配套的質量管理措施所研制的氣瓶,其所含缺陷量級一般是在斷裂力學所允許的范圍內,在規定使用環境條件下是不會發生低應力脆斷的。氣瓶爆破試驗的統計結果證實了破裂起始點均為應力最高、瓶體最薄弱處。因此彈性理論的強度設計仍是優化設計高壓氣瓶最基本的方法。球形金屬氣瓶是由經熱模鍛和機械加工后的兩個金屬半球焊接而成,軸線兩頭分別為接近剛性的通氣接嘴和工藝孔嘴部分,焊縫和瓶體、接嘴和瓶體之間都有比等厚球殼體區厚的三次樣條曲線過渡區,可認為是一軸對稱變厚度殼體和實體的組合體,無現成的解析方法可用,設計手冊上的經驗公式也無法精確分析焊縫接嘴及壁厚過渡區的應力狀態。作為算例,本文采用ADINA程序對某球形金屬高壓氣瓶進行了強度分析,找到了適合于球形氣瓶的有效的有限元網格劃分方法,對在確保計算精度的前提下,提高計算效率、減少計算量的可能性進行了討論,驗證了優化設計的合理性,得到了一些有參考價值的數據和結論。編制了一套半自動、通用的有限元輸入信息生成前處理程序,為設計工作者提供了一種容易掌握的工具,并為斷裂力學的進一步分析創造了條件。
     圖1所示的結構為二維軸對稱體,針對所計算的模型,為了更好地符合曲線邊界,本文采用二維8節點等參元對該軸對稱體進行離散。并盡量使單元兩個方向上尺寸相當,以提計算精度。所編制的前處理ADINA輸入信息生成程序僅需輸入球體的一些特征尺寸及特征點坐標,單元組內單元疏密和節點都可由參數隨意自動調整。
     根據結構特點,共劃分十個區域,每個區域為一個單元組(圖1)。Ⅰ區為瓶嘴密封接頭處,不屬于受壓殼體,設計上偏安全,邊界條件可以簡化,由于圣維南原理對較遠處的殼體無影響,單元劃分可粗一些,Ⅱ區、Ⅹ區也類似,且偏于剛性。Ⅲ區、Ⅴ區、Ⅶ區、Ⅸ區為壁厚由不等厚處到等厚球殼的過渡區域,應力狀態較為復雜,單元劃分較細。Ⅳ區和Ⅷ區為大部分的等厚球殼區,單元劃分較疏,Ⅵ區為焊縫區域,應力狀態很復雜,單元劃分更細(圖2)。
     除瓶嘴和焊縫部分,因直線邊界或小區域采用的4節點單元外,其余瓶體部分基本上采用6-7節點等參單元如圖3所示。(b)、(c)為不同區域連接處使用的單元。14、23為過球心的半徑共線的直線邊界。


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