高压制冷气瓶的轻量化设计与分析

2022-04-07胡圣鑫郁佳敏江春月吴君辉

机械制造 2022年3期

□ 江晨 □ 陈风 □ 丁森 □ 胡圣鑫 □ 郁佳敏 □ 江春月 □ 吴君辉

上海航天精密机械研究所上海 201600

1 设计与分析背景

高压制冷是红外热成像制冷技术中的一种常用物理制冷方法。高压制冷装置能够向红外探测器制冷,通过低温环境降低红外探测器的噪声,提高红外探测器的灵敏度和分辨率。

高压制冷装置的主要设备为高压制冷气瓶,瓶体内部存储高压气体,具有一定的危险性。因此,在设计瓶体结构时,需要保证瓶体在工作压力作用下的强度,同时具备一定的安全因数。以往设计时都是从选择高强度材料、增大壁厚等方面来保证瓶体强度。国内外学者针对采用高强度材料的高压气瓶开展了许多研究。1982年,印度研究机构选用 TC4 材料,成功研制了能够承载99.2 MPa爆破压力的高压气瓶。2001年,北京航空材料技术研究所采用TC4材料,研制了能够承载45 MPa的球形高压气瓶,发现TC4材料的生产工艺过程会影响球形高压气瓶的承压能力,需严格控制生产工艺过程。华中科技大学李杰针对承载40 MPa的钛合金高压气瓶开展设计和仿真研究,从理论上证明了使用钛合金材料制作承载40 MPa高压气瓶的可行性。随着科学技术的迭代和发展,航空航天产品的设计已经趋向于轻量化,对高压制冷气瓶的轻量化提出了新的要求,单纯通过使用高强度材料来减小质量已经不能满足要求。在保证瓶体强度的前提下,通过改变瓶体结构最大限度减小瓶体质量来满足使用要求,已成为新的研究方向。

笔者针对高压制冷气瓶,在保证容积、接口关系、承载能力的前提下,开展高压制冷气瓶的轻量化设计,并对相同容积下不同内径的高压制冷气瓶进行理论计算和对比分析,通过试验验证。

2 高压制冷气瓶尺寸

高压制冷气瓶的尺寸计算包括瓶身厚度和端盖厚度两个部分,气瓶瓶身厚度δ1和端盖厚度δ2依据JB/T 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》进行设计,公式如下:

(1)

(2)

式中:pc为工作压力;D1为瓶体内径;K为载荷组合因数,取1;σc为设计应力强度,取抗拉强度的1/2.5;Ks为结构特征因数,取0.1。

3 高压制冷气瓶轻量化计算

高压制冷气瓶简化模型如图1所示,实心部分体积V为:

▲图1 高压制冷气瓶简化模型

(3)

整理后得:

(4)

由于内腔容积恒定为V1,因此有:

(5)

(6)

高压制冷气瓶实心部分体积V是关于D1的函数,可知函数的一阶导数V′(D1)大于0,表明随着D1的增大,实心部分体积会增大,即质量变大。由理论计算分析可知,内腔直径越小,外形越趋向于细长,高压制冷气瓶的质量越小。

某高压制冷气瓶材料为0Cr17Ni4Cu4Nb,性能参数见表1。

表1 高压制冷气瓶性能参数

根据式(1)、式(2),不同瓶体内径下高压制冷气瓶的结构尺寸见表2。

由表2可知,高压制冷气瓶内径越大,质量越大。

表2 高压制冷气瓶结构尺寸

4 强度分析

拉梅基于弹性理论推导得到气瓶瓶壁的三向应力,即周向应力σθ、径向应力σr、轴向应力σz的计算公式,为高压制冷气瓶的爆破形态分析提供了有效方法。三向应力公式如下:

(7)

(8)

(9)

式中:Pi为瓶体理论爆破压强;P0为外部压强,取P0为0;d为瓶体的任意直径,D1≪d≪D0。

笔者采用塑性失效设计准则作为失效依据。塑性失效设计准则是以瓶体内外壁整体屈服强度作为瓶体达到极限承载能力的一种强度设计准则,认为瓶体内壁屈服而其它部分处于弹性状态时,仍可以继续提高承载能力。由三向应力公式可以看出,周向应力数值最大,高压制冷气瓶的理论爆破形式应为周向撕裂状。瓶体内径材料在内压载荷作用下应力值较大,率先达到屈服强度极限,而随着内压载荷的增大,塑性区域逐渐扩大,直至瓶体外径材料也达到屈服强度极限,瓶体才会丧失继续承载能力,发生爆破失效。

根据周向应力计算公式,可以得出不同瓶体内径高压制冷气瓶的理论爆破压强,见表3。高压制冷气瓶采用的沉淀硬化不锈钢材料硬度高,周向应力取值为材料抗拉强度1 150 MPa。