环形气瓶金属内衬的CAE仿真分析

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1、制造技术研究航天制造技术环形气瓶金属内衬的CAE仿真分析姚金莉杨芙蓉杨恒万里园（树脂基结构与功能材料技术湖北省工程实验室，孝感432100）摘要：运用CAE技术对环形气瓶金属内衬进行仿真分析，研究金属内衬在受到不同压力工况下的应力及变形情况，得到环形气瓶的薄弱部位和耐压情况，为气瓶增强层加固方案和工艺制定提供了依据，并为气瓶的强度验证试验提供了内压载荷数据。关键词：环形气瓶；金属内衬；CAECAESimulationAnalysisofMetalLinerofTorusVesselYaoJinliYangFurongYangHengWanLiyuan(HubeiProvincialE

2、ngineeringLaboratoryofResinBasedStructureandFunctionalMaterialsTechnology,Xiaogan432100)Abstract：CAEtechnologyisusedforthesimulationanalysisofmetallineroftorusvesseltoresearchthestressanddeformationunderdifferentpressureconditions.Theweakpartsandpressuresituationoftorusvesselareobtained,whichpr

3、ovidesthebasisforthestrengtheningscheme,processsetting,andstrengthtestdataforthegascylinder.Keywords：torusvessel；metalliner；CAE1引言量，仅取环形气瓶的1/2进行有限元分析，得到CAE模型，六面体单元总数72000个，节点总数97200个，金属内衬复合环形气瓶由环形金属内衬和其外如图1所示。表面的复合纤维补强层组成。内衬的主要功能是存储介质并防止介质泄漏，承担内压载荷；复合纤维补强承担气瓶的部分内压载荷，主要用于增加气瓶的安全[1]系数。作为高压气体介质的贮存

4、设备，金属内衬复合环形气瓶的安全性备受关注。运用CAE技术对环形气瓶金属内衬进行有限元分析，研究环形气瓶金属内图1环形气瓶金属内衬CAE模型衬的耐压情况，为提高金属内衬复合环形气瓶的安全系数提供依据。2.2材料物理参数主要分析环形气瓶金属内衬在工作压力、强度试2建立计算模型验压力和爆破压力下的受力情况，因此材料不仅有弹性变形也有塑性变形和爆炸，材料模型不能仅考虑弹2.1建立CAE模型性变形阶段。材料的物理参数：弹性模量110000MPa；3环形气瓶金属内衬选用实体单元solid45，该单元密度4.51g/cm；泊松比0.34；屈服极限830MPa；切为八节点单元，每个节点三个平动自由

5、度。根据环形线模量2150MPa。对称性，中间建立柱面坐标系（r,θ,z）；为减小计算2.3边界条件处理作者简介：姚金莉（1985-），硕士，机械电子工程专业；研究方向：机械CAD/CAE。收稿日期：2015-07-0647制造技术研究2015年10月第5期分析环形气瓶金属内衬在高度和径向方向上的变形，因此建立柱面坐标系（r、θ、z），在对称面上，对单元节点进行轴向和角度方向的约束，即仅仅释放径向方向。载荷的添加方式为受力面加压强。环形气瓶金属内衬的边界条件如图2所示。图4内压30MPa环形气瓶金属内衬Z向变形a整体示意图图5内压30MPa环形气瓶金属内衬X向变形b局部放大示意图b.

6、计算环形气瓶金属内衬在30～45MPa内压作图2环形气瓶金属内衬的边界条件用下的受载情况，计算结果如表1所示。环形气瓶金属内衬内压载荷在34MPa时，金属内衬已达到屈服3CAE仿真分析结果极限830MPa，在此内压范围内，金属内衬发生弹性变形；内压载荷大于34MPa时，随着内压的增大，3.1不同内压工况下的受力情况高度和径向的变形都在明显增加。最高工作压力为a.环形气瓶金属内衬在最高工作压力30MPa的30MPa，金属内衬还在弹性变形范围内，因此外部复作用下，计算结果如图3、图4和图5所示。如图3合纤维增强层仅起到补强作用，即增加气瓶的整体安所示，环形气瓶金属内衬所受最大应力为777

7、MPa，全系数和可靠性。因此为了提高气瓶的整体安全系还未达到材料的屈服极限830MPa，材料发生弹性变数，必须在金属内衬的薄弱部位着重补强。形；从图中可以看出中间靠内侧部分为薄弱部位，因此在内衬外缠绕复合纤维增强层时可以重点在此部表1环形气瓶金属内衬不同内压下的受力情况位补强。如图4所示，X向（径向方向）变形对称，内压工况VonMises应力高度方向最大变径向方向最大变/MPa/MPa形/mm形/mm最大0.3799mm；如图5所示，Z向（高度方向）变形3