高壓制冷氣瓶的輕量化設計與分析

□ 江 晨 □ 陳 風 □ 丁 森 □ 胡圣鑫 □ 郁佳敏 □ 江春月 □ 吳君輝

上海航天精密機械研究所 上海 201600

1 設計與分析背景

高壓制冷是紅外熱成像制冷技術中的一種常用物理制冷方法。高壓制冷裝置能夠向紅外探測器制冷,通過低溫環境降低紅外探測器的噪聲,提高紅外探測器的靈敏度和分辨率。

高壓制冷裝置的主要設備為高壓制冷氣瓶,瓶體內部存儲高壓氣體,具有一定的危險性。因此,在設計瓶體結構時,需要保證瓶體在工作壓力作用下的強度,同時具備一定的安全因數。以往設計時都是從選擇高強度材料、增大壁厚等方面來保證瓶體強度。國內外學者針對采用高強度材料的高壓氣瓶開展了許多研究。1982年,印度研究機構選用 TC4 材料,成功研制了能夠承載99.2 MPa爆破壓力的高壓氣瓶。2001年,北京航空材料技術研究所采用TC4材料,研制了能夠承載45 MPa的球形高壓氣瓶,發現TC4材料的生產工藝過程會影響球形高壓氣瓶的承壓能力,需嚴格控制生產工藝過程。華中科技大學李杰針對承載40 MPa的鈦合金高壓氣瓶開展設計和仿真研究,從理論上證明了使用鈦合金材料制作承載40 MPa高壓氣瓶的可行性。隨著科學技術的迭代和發展,航空航天產品的設計已經趨向于輕量化,對高壓制冷氣瓶的輕量化提出了新的要求,單純通過使用高強度材料來減小質量已經不能滿足要求。在保證瓶體強度的前提下,通過改變瓶體結構最大限度減小瓶體質量來滿足使用要求,已成為新的研究方向。

筆者針對高壓制冷氣瓶,在保證容積、接口關系、承載能力的前提下,開展高壓制冷氣瓶的輕量化設計,并對相同容積下不同內徑的高壓制冷氣瓶進行理論計算和對比分析,通過試驗驗證。

2 高壓制冷氣瓶尺寸

高壓制冷氣瓶的尺寸計算包括瓶身厚度和端蓋厚度兩個部分,氣瓶瓶身厚度δ1和端蓋厚度δ2依據JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》進行設計,公式如下:

(1)

(2)

式中:pc為工作壓力;D1為瓶體內徑;K為載荷組合因數,取1;σc為設計應力強度,取抗拉強度的1/2.5;Ks為結構特征因數,取0.1。

3 高壓制冷氣瓶輕量化計算

高壓制冷氣瓶簡化模型如圖1所示,實心部分體積V為:

▲圖1 高壓制冷氣瓶簡化模型

(3)

整理后得:

(4)

由于內腔容積恒定為V1,因此有:

(5)

(6)

高壓制冷氣瓶實心部分體積V是關于D1的函數,可知函數的一階導數V′(D1)大于0,表明隨著D1的增大,實心部分體積會增大,即質量變大。由理論計算分析可知,內腔直徑越小,外形越趨向于細長,高壓制冷氣瓶的質量越小。

某高壓制冷氣瓶材料為0Cr17Ni4Cu4Nb,性能參數見表1。

表1 高壓制冷氣瓶性能參數

根據式(1)、式(2),不同瓶體內徑下高壓制冷氣瓶的結構尺寸見表2。

由表2可知,高壓制冷氣瓶內徑越大,質量越大。

表2 高壓制冷氣瓶結構尺寸

4 強度分析

拉梅基于彈性理論推導得到氣瓶瓶壁的三向應力,即周向應力σθ、徑向應力σr、軸向應力σz的計算公式,為高壓制冷氣瓶的爆破形態分析提供了有效方法。三向應力公式如下:

(7)

(8)

(9)

式中:Pi為瓶體理論爆破壓強;P0為外部壓強,取P0為0;d為瓶體的任意直徑,D1?d?D0。

筆者采用塑性失效設計準則作為失效依據。塑性失效設計準則是以瓶體內外壁整體屈服強度作為瓶體達到極限承載能力的一種強度設計準則,認為瓶體內壁屈服而其它部分處于彈性狀態時,仍可以繼續提高承載能力。由三向應力公式可以看出,周向應力數值最大,高壓制冷氣瓶的理論爆破形式應為周向撕裂狀。瓶體內徑材料在內壓載荷作用下應力值較大,率先達到屈服強度極限,而隨著內壓載荷的增大,塑性區域逐漸擴大,直至瓶體外徑材料也達到屈服強度極限,瓶體才會喪失繼續承載能力,發生爆破失效。

根據周向應力計算公式,可以得出不同瓶體內徑高壓制冷氣瓶的理論爆破壓強,見表3。高壓制冷氣瓶采用的沉淀硬化不銹鋼材料硬度高,周向應力取值為材料抗拉強度1 150 MPa。

表3 高壓制冷氣瓶理論爆破壓強

經過以上分析計算可知,不同瓶體內徑高壓制冷氣瓶爆破壓強基本一致,約在143 MPa工況時發生爆破,爆破載荷均大于2.5倍工作壓力,滿足設計要求。

5 試驗驗證

針對瓶體內徑為47 mm、50 mm兩種尺寸的高壓制冷瓶,分別進行液體壓力爆破試驗,爆破試驗件的材料參數與表1一致,爆破試驗結果如圖2所示。

由爆破試驗可知,內徑為47 mm的試驗件,爆破壓強為151.86 MPa;內徑為50 mm的試驗件,爆破壓強為152.23 MPa。

▲圖2 爆破試驗結果

爆破試驗結果與理論計算的爆破壓強相近。由爆破試驗結果圖片可以看出,爆破口成撕裂狀,與三向應力公式理論爆破形式為周向撕裂狀一致。

6 結束語

筆者針對高壓制冷氣瓶展開輕量化設計,通過對相同容積下不同內徑的高壓制冷氣瓶進行理論計算、對比分析和試驗驗證,得出以下結論:

(1)相同容積的高壓制冷氣瓶,內徑越小,結構形狀越細長,質量越小;

(2)相同容積不同內徑的高壓制冷氣瓶,爆破壓強基本一致,同時滿足安全因數要求,表明采用輕量化設計基本不會影響爆破壓強。

爆破試驗結果與理論計算結果基本一致,驗證了理論計算的正確性。

綜合輕量化設計與分析可知,在給定的工作壓強和安全因數條件下,減小高壓制冷氣瓶內徑,可以實現輕量化設計。但內徑不可能無限縮小,可以根據具體的使用工況和機械接口關系,確定合適的內徑,以達到輕量化設計的要求。