基于ABAQUS的贮箱金属膜片的优化设计

王刚 于波

中国核电工程有限公司河北分公司 石家庄050021

基于ABAQUS的贮箱金属膜片的优化设计

王刚 于波

中国核电工程有限公司河北分公司 石家庄050021

金属膜片是推进剂贮箱重要的组成部分，工作时，在外部气压作用下金属膜片从边缘处开始翻转，挤压推进剂将其排出，为外部装置提供驱动力。由于金属膜片翻转试验代价太高，在工程应用中不可能通过做大量实验来验证，往往依靠数值模拟的方法经验性地获得膜片翻转时的数据。因此，采用简单有效的数值计算方法可靠地模拟金属膜片的翻转过程对于推进剂贮箱的设计和应用具有重要的意义。

the tank; metal diaphragm; numerical simulation

引言

贮箱又称储罐，主要指用于储存或盛装气体、液体等介质的设备。在核电、化工、石油、航天等行业可以广泛应用，如推进剂储罐、液化石油气储罐、石油储罐等。在一些高危区域，例如，受核辐射区域以及太空领域，人们无法靠近，因此就需要一种自动排放装置将危险化学液体排出。近年来，越来越多的科学家投入到金属膜片贮箱的研究当中。

在金属膜片贮箱内部，膜片与贮箱壳体密封连接，工艺上一般靠焊接来完成，正常工作时外部气体通过贮箱的进气口进入腔体，然后增压气体挤压膜片，将推进剂通过贮箱的出口排出，挤入输送管路，实现外部环境推进剂的供应，工作期间膜片需经历从上半球翻转到下半球的弹塑性变形[1,2]。近几年，金属膜片贮箱以其可靠性高，结构简单等优点被广泛应用在核电、化工等领域。目前国内贮箱设计制造水平不是很高，普遍存在安全余量较大，生产出来的贮箱和国外同类型的贮箱相比，有比较大的差距，因此对推进剂贮箱进行相关的结构分析和优化设计是必要的。所以有必要用数值模拟对贮箱膜片进行预先数值模拟。

1 有限元模型及边界条件

金属膜片基本尺寸如图5所示。膜片材料为铝材料，膜片外缘型面为球形，半径r，膜片厚度为δ，δ随离膜片顶点距离h的变化而变化，膜片翻边半径r1，翻边厚度δ1。

本文中，膜片基本几何尺寸如表一所示。

由于膜片翻边与贮箱壳体交接处为焊接结构，所以对膜片边缘作固支处理。

2 模拟参数的设定及载荷

金属膜片的工作工程涉及翻转，变形较大，所以在模拟过程中，必须考虑塑性变形，因而须在材料参数中引入关于塑性变形数据。膜片的材料为铝，其机械性能为：抗拉强度，屈服强度，弹性模量E=69GPa,泊松比μ=0.3，延伸率39%。另外膜片是在内外表面的压力共同作用下发生的翻转变形（P1>P2），因此将外载荷简化为作用在外表面的压力差（△P=P1-P2）。在本文中，工况设置中取压力差△P=0.25MPa。

表一

3 数值模拟与分析

采用大型非线性有限元软件ABAQUS进行数值分析，选用四边形单元划分，选用二次减缩积分壳单元S8R，这是一种厚壳单元，在Mesh模块中，周向布置60个单元，母线布置64个单元，整个模型共3840个单元，11521个结点。膜片主要翻转过程如下：

从整个膜片变形图可以看出，由于弯边处厚度最小，膜片从“赤道”处开始翻转，一开始呈轴对称翻转，当整个弯边翻转过来后，膜片逐渐呈现非轴对称变形，一侧翻转较快，另一侧翻转较慢。在膜片相同高度的圆周上取两个节点，编号为178和2056的两个节点，两点是同一圆周直径的两个端点，以纵坐标表示两个节点的轴向位移，横坐标表示膜片压力，建立位移-压力关系曲线，如图2所示。

从图2中可以看到，在膜片压力为0.17MPa时两节点的下降速度开始不一样，之后在一段时间内，178节点下降速度较慢，2060节点下降速度较快，甚至超过了178节点的下降速度，这分别代表了膜片的两边的变形规律，宏观上表现出来的就是我们在变形图中所看到的情况。在最后变形结束时，我们看到两条曲线并没有重合，说明膜片在变形过程中可能出现小范围的屈曲造成的。实际上从宏观变形图中也可以看到小范围屈曲，如图3所示。

图3中两条粗线之间的整个圆周区域即为产生局部屈曲的区域，在这个区域内任取一节点，节点编号为2186，以这一节点的径向位移为纵坐标，膜片所受压力为横坐标，得到位移-膜片压力关系曲线，如图4所示。

从图4中看出，开始随着膜片压力的增加，该点径向位移始终为零，说明膜片从“赤道”处缓慢平稳地进行翻转，从前面的变形图中也可以看到，在理想翻转情况下，随着膜片向下翻转，已翻转和未翻转膜片间夹角变化不大，翻转过程中压差变化也不会很大。但是当膜片压力增加到一定数值，膜片部分区域开始产生径向位移，并且在一定时间内这种径向位移往复摆动，最终发生局部屈曲，由于这种屈曲是轴对称行为，且只是在局部区域产生的，从图中看出，发生失稳时最大离面径向位移只有14.3mm，与膜片的几何尺寸相比很小，因此，经过局部小的失稳阶段后不影响膜片的整体翻转过程，最终达到比较理想的翻转。

4 结论

这种几何参数下的膜片，整个翻转过程平稳，虽然膜片中间段出现小的凹陷的部分，局部区域发生一点失稳，但对总体布局影响不大，变形过程中也没有出现褶皱现象，最后膜片也没有发生破坏行为，所以该膜片结构设计合理，能够满足工程中的应用。在实验中，一些小范围的局部失稳随着载荷的加大，在其他区域产生的一些小的扰动将导致多处产生局部屈曲，最后整个膜片产生过多的褶皱，造成整体失效破坏，因此应当合理设计膜片，避免发生屈曲。

[1]廖剑晖，庄茁.圆球端柱形金属膜片贮箱的屈曲分析.ABAQUS会议论文集

[2]朱智春，赵和明，罗斌.金属膜片贮箱的膜片变形分析.推进技术.1999年10月第20卷第5期：77-79

The metal diaphragm is important component of the propellant tank. The metal diaphragm reverses itself by rolling from the edge in a controlled manner under the action of an applied pressure.Rolling metal diaphragm as a positive expulsion device in propellant tanks provides enough feul for external environment. Due to the high cost of experiment, it is very important to study the rolling process of the metal diaphragm by numerical method for design and application of the propellant tank.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.047

贮箱；金属膜片；数值模拟