基于Ansys有限元分析的应变强化技术在低温罐箱设计制造中的应用

袁蛟　何远新　熊珍艳　卢海

低温罐箱广泛应用于化工、冶金、航空航天等领域。为了提高低温罐箱的经济性，其轻型化设计日益受到重视。[1] 应变强化技术是在一定条件下，通过加载应力将奥氏体不锈钢拉伸到塑性变形，然后卸载压力，从而使奥氏体不锈钢的屈服强度提高的技术。[2] 作为节材节能的绿色制造技术，应变强化技术目前已广泛应用于低温罐箱设计制造领域，以达到减小内容器壁厚、减轻罐体质量的目的;但由于缺乏足够的数据支撑，需要通过大量的实验研究获得奥氏体不锈钢的力学性能参数。[3-4]受制造工艺的制约，在应变强化技术应用过程中需要控制罐体径向塑性变形量，使其不大于罐体夹层最小间隙的1/5。本文利用Ansys软件对不同加强圈结构和不同壁厚的低温罐箱罐体在应变强化压力下产生的塑性变形进行有限元分析，从而为应变强化技术在低温罐箱设计制造中的应用提供支持。

1 建立低温罐箱Ansys有限元分析模型

根据40英尺液化天然气罐箱图纸，利用三维建模软件UG建立几何模型。罐箱由框架、外罐及内罐等组成，应变强化技术仅应用于内罐，故只针对内罐罐体及加强圈建立有限元分析模型。因内罐罐体为轴对称旋转几何体，罐体壁面受均匀压力载荷，可将内罐罐体简化成平面轴对称模型进行分析。将简化后的几何模型导入Ansys，在Ansys中划分网格并设定材料参数[5]，其中：材料为奥氏体不锈钢，弹性模量E=200 GPa，泊松比 =0.3，密度 =7.98 g/mm3。

2 基于Ansys有限元分析的应变强化技术在低温罐箱设计制造中的应用

本文主要对不同加强圈结构和不同壁厚的罐体在应变强化压力下产生的塑性变形进行有限元分析：有限元分析过程包括加载强化压力（强化压力取1.5倍设计压力）、加载后卸压和强化后再加载3个环节;塑性变形量均为卸压后罐体的径向塑性变形量，夹层最小间隙为30 mm，故塑性变形量不宜大于6 mm。

2.1 确定最佳加强圈结构

低温罐箱加强圈常用结构主要有一般结构、增厚结构、防波板结构和U型钢结构。建立不同加强圈结构网格模型（见图1），计算在1.5 MPa强化压力下的应变强化过程：罐体径向塑性变形如图2所示，应变强化后的塑性变形量见表1。

由图2和表1可见，不同加强圈结构的低温罐箱罐体在强化压力下产生的塑性变形量也各不相同。根据罐体塑性变形量的大小，加强圈结构按照性能从高到低分别为U型钢结构、增厚结构、防波板结构、一般结构。据此确定低温罐箱最佳加强圈结构为U型钢结构，罐体塑性变形量为0.44 mm，满足制造工艺要求。

2.2 确定最佳罐体壁厚

根据设计方案，分别对壁厚为4.5 mm、5.0 mm、5.5 mm和的罐体进行应变强化压力为的塑性变形有限元分析计算。由图3～6可见：壁厚5.0 mm、5.5 mm和6.0 mm罐体在强化压力下的塑性变形量均满足要求;壁厚4.5 mm罐体在应变强化压力下的塑性变形量不满足要求。

由于壁厚越薄罐体质量越轻，在满足要求的条件下应尽可能减薄壁厚，故分别对壁厚为4.6 mm、4.7 mm、4.8 mm和的罐体进行强化压力为的塑性变形有限元分析计算。由图7～10可见，罐体在应变强化压力下所产生的塑性变形量随罐体壁厚的变化而变化。由表2可见，在相同的应变强化压力下，罐体塑性变形量随罐体壁厚的增加而减小。在满足塑性变形量要求的条件下，所能选取的罐体最小壁厚为4.8 mm;因此，40英尺液化天然气罐箱在1.5 MPa强化压力下的罐体最佳壁厚为4.8 mm。

3 結束语

本文利用Ansys软件对不同加强圈结构和不同壁厚的低温罐箱罐体在应变强化压力下产生的塑性变形进行有限元分析计算，结果显示：（1）低温罐箱最佳加强圈结构为U型钢结构;（2）应变强化压力引起的罐体塑性变形量与罐体壁厚成反比，在满足罐体塑性变形量要求的条件下，罐体最佳壁厚为。

参考文献：

[1] 冯小松. 应变强化技术在低温储罐轻型化设计中的应用[D]. 北京：北京化工大学，2012.

[2] 赵洪涛. 应变强化技术在LNG低温储罐中的应用[D]. 杭州：浙江大学，2019.

[3] 薛智超，彭剑，汪林海，等. 应变强化对S30403与S30408不锈钢力学性能影响的对比研究[J/OL]. 热加工工艺， 2022（6）：26-31[2021-10-21]. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/61. 1133.TG.20211021.1512.003.html. DOI：10.14158/j.cnki.1001- 3814.20201136.

[4] 侯浩，赵建平. 奥氏体不锈钢应变强化容器结构的可靠度分析[J].机械设计与制造，2014（7）：55-57.

[5] 张向宇，熊计，郝锌，等. 基于Ansys的立柱有限元分析与结构优化设计[J]. 机械科学与技术，2008，27（12）：1602- 1605.

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2021-12-17）99CA921C-5BC9-4639-B5DB-80190C5E814C