一種基于ANSYS的機載高壓氧氣瓶設計與驗證

林樂剛， 盧猛， 姚宇， 王俊麗

（中國空空導彈研究院 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，主要應用于航空航天、車載武器裝備、紅外制冷系統、發動機及醫療等領域,通過高壓氣瓶充裝高壓氣體，配套瓶閥減壓穩定輸出，形成的穩定氣體供應。

應用于航空航天的高壓氣瓶，各項性能遠遠高于地面裝備、民用高壓容器，常需具有體積小、質量輕、壓力高、環境適應能力強等特點。本文著重探討一種機載高壓氧氣瓶的設計和應用，并通過ANSYS進行強度有限元分析，優化結構后樣機生產、試驗驗證其理論計算的正確性，為工程應用提供依據。

1 設計方案

1.1 結構選擇

根據總體空間要求，氣瓶可利用空間為φ150 mm×500 mm圓柱空間，容積為不小于5 L，根據空間可設計為單體圓柱結構、多球鏈狀結構，多球鏈狀結構氣瓶可等效為球形，在相同容積下其結構應力較小，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。圓柱氣瓶結構簡單，承壓性能良好，空間利用率較高，為高壓容器常用結構，因此選擇單體圓柱結構[1]，如圖1所示。

1.2 材料選擇

圖1 氣瓶結構示意圖

根據要求，氣瓶圓柱結構，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，氣瓶質量較重，定檢周期較短（5 a），檢測項目復雜，適合于對質量無要求、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。優質不銹鋼材料強度高、抗銹蝕能力強、機加工性好、焊接性能良好，性價比優，是目前先進裝備常用材料，已廣泛定型應用在飛機、導彈、魚雷、戰車、地面設備等各種武器裝備上。因此該氣瓶材料選擇優質航空耐熱不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，該材料主要成分如表1所示。

表1 不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb材料主要成分質量分數 %

該鋼具有較高的強度、耐腐蝕、抗氧化、易焊接、易加工，在鹽霧、海洋環境性能優越，該材料廣泛應用于航空、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 氣瓶外形尺寸設計與計算

圓柱形氣瓶采用數控車削加工，外形公差較小，在設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生的公差，氣瓶直徑取140 mm；在設計計算過程中充分考慮到氣瓶加工、焊接可能產生的長度公差，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計，氣瓶工作壓力25 MPa，安全系數取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，由設計單位確定，一般取0.9～1.0；[σ]為材料最大許用應力，MPa;c為腐蝕裕度，由設計單位確定，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n柱=3.4，圓球段理論安全系數n球=3.7。由此可見，氣瓶的最小安全系數n=3.4，優于HB6134-87航空氣瓶通用技術條件的安全系數3的要求。根據氣瓶外形尺寸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，瓶頭和瓶尾通過數控機加工，在圓柱段處經氬弧焊接方式成型。氣瓶外形尺寸示意如圖2所示，滿足總體要求。

根據氣瓶的設計尺寸三維模擬，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力分析[3-4]，氣瓶工作壓力為25 MPa，考慮到環境溫度、充氣發熱對氣體壓力的影響，根據HB 6134-87 航空氣瓶通用技術條件，氣瓶一般進行5/3倍工作壓力的強度試驗，經計算的強度壓力為41.7 MPa，計算時取42 MPa。氣瓶內部承受42 MPa壓力時的應力分析如圖3所示，氣瓶在42 MPa條件下，氣瓶肩部受應力最大為603 MPa，遠小于氣瓶屈服強度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應力分析圖

對氣瓶爆破應力進行分析校核，氣瓶應能承受3倍以上工作壓力的破壞性試驗，工作壓力為25 MPa，因此內部承受75 MPa爆破壓力時的應力分析如圖4所示。氣瓶在75 MPa條件下，氣瓶肩部材料受內部張應力最大為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。根據應力分析，對瓶肩過渡處圓滑過渡設計優化處理后進行樣機加工生產。

圖4 75 MPa應力分析圖

2 加工工藝設計

氣瓶選用不銹鋼材料，綜合考慮現有成熟設計方法和制造手段，且盡可能采用成熟技術，加工形式主要采用數控冷加工，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，焊縫接頭處按標準要求加工坡口以保證焊縫成形及焊接質量。氣瓶焊縫焊后100%經過探傷檢查，氣瓶焊接實物如圖7所示。

圖5 產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計所得的參數，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、疲勞試驗滿足設計及總體使用要求；通過與機載設備試飛試驗驗證了該高壓氧氣瓶滿足壞境適應性的要求。

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，按相關標準要求抽取一定數量的氣瓶進行爆破試驗，爆破壓力應不小于3倍工作壓力，氣瓶爆破時不應產生碎片，爆破口應呈撕裂狀，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 全自動強度試驗設備

2）疲勞安全性。產品設計時考慮了產品總壽命，氣瓶材料采用了優質不銹鋼，氣瓶經氬弧焊接成型，經探傷檢測合格并經時效處理，內部應力較小，可按相關標準抽取一定數量的氣瓶進行疲勞壽命考核試驗，疲勞試驗在自動疲勞設備防爆箱中進行，設備如圖9所示。氣瓶以0.1P～1.2P～0.1P（P為工作壓力）為一個壓力循環周期，經受20 000個循環周期后，氣瓶無滲漏，無變形。高壓氣瓶經過樣機試驗驗證，主要實測性能指標如表2所示。

圖9 全自動疲勞試驗設備

4 結語

1）本文介紹了一種機載設備用高壓氧氣瓶的理論計算方法，并通過有限元應力仿真、樣機試制、試驗驗證及隨總體試飛驗證了該理論設計的正確性。該高壓氣瓶具有承壓好、密封性好、環境適應性強等優點，已成功應用于某航天飛行器氣動系統，它的研制為同類產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果表明，該設計方法是進行氣體減壓器設計的有效方法，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律，這些影響及變化規律可以應用至減壓器的理論設計中，并為后續減壓器的優化設計提供了有力的參考。

表2 主要性能指標