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航空航天中，一般用超高強(qiáng)度鋼制作薄壁球形容器，以貯存氧、氮?dú)怏w供人員呼吸及補(bǔ)充座艙大氣泄漏，它是生保系統(tǒng)的關(guān)鍵件之一。由于航空航天的特殊要求，氣瓶必須壁薄、重量輕、容積大、耐壓高，這就存在強(qiáng)度和安全可靠性的矛盾。為此，必須對工作狀態(tài)下高壓氣瓶進(jìn)行精確的強(qiáng)度有限元分析，使高壓氣瓶具備前述特點(diǎn)，以確保高壓容器的安全可靠。
在設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、檢驗等各環(huán)節(jié)中，嚴(yán)格地按照技術(shù)條件、工藝規(guī)范和相配套的質(zhì)量管理措施所研制的氣瓶，其所含缺陷量級一般是在斷裂力學(xué)所允許的范圍內(nèi)，在規(guī)定使用環(huán)境條件下是不會發(fā)生低應(yīng)力脆斷的。氣瓶爆破試驗的統(tǒng)計結(jié)果證實了破裂起始點(diǎn)均為應(yīng)力最高、瓶體最薄弱處。因此彈性理論的強(qiáng)度設(shè)計仍是優(yōu)化設(shè)計高壓氣瓶最基本的方法。球形金屬氣瓶是由經(jīng)熱模鍛和機(jī)械加工后的兩個金屬半球焊接而成，軸線兩頭分別為接近剛性的通氣接嘴和工藝孔嘴部分，焊縫和瓶體、接嘴和瓶體之間都有比等厚球殼體區(qū)厚的三次樣條曲線過渡區(qū)，可認(rèn)為是一軸對稱變厚度殼體和實體的組合體，無現(xiàn)成的解析方法可用，設(shè)計手冊上的經(jīng)驗公式也無法精確分析焊縫接嘴及壁厚過渡區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。作為算例，本文采用ADINA程序?qū)δ城蛐谓饘俑邏簹馄窟M(jìn)行了強(qiáng)度分析，找到了適合于球形氣瓶的有效的有限元網(wǎng)格劃分方法，對在確保計算精度的前提下，提高計算效率、減少計算量的可能性進(jìn)行了討論，驗證了優(yōu)化設(shè)計的合理性，得到了一些有參考價值的數(shù)據(jù)和結(jié)論。編制了一套半自動、通用的有限元輸入信息生成前處理程序，為設(shè)計工作者提供了一種容易掌握的工具，并為斷裂力學(xué)的進(jìn)一步分析創(chuàng)造了條件。
圖1所示的結(jié)構(gòu)為二維軸對稱體，針對所計算的模型，為了更好地符合曲線邊界，本文采用二維8節(jié)點(diǎn)等參元對該軸對稱體進(jìn)行離散。并盡量使單元兩個方向上尺寸相當(dāng)，以提計算精度。所編制的前處理ADINA輸入信息生成程序僅需輸入球體的一些特征尺寸及特征點(diǎn)坐標(biāo)，單元組內(nèi)單元疏密和節(jié)點(diǎn)都可由參數(shù)隨意自動調(diào)整。
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，共劃分十個區(qū)域，每個區(qū)域為一個單元組(圖1)。Ⅰ區(qū)為瓶嘴密封接頭處，不屬于受壓殼體，設(shè)計上偏安全，邊界條件可以簡化，由于圣維南原理對較遠(yuǎn)處的殼體無影響，單元劃分可粗一些，Ⅱ區(qū)、Ⅹ區(qū)也類似，且偏于剛性。Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)、Ⅶ區(qū)、Ⅸ區(qū)為壁厚由不等厚處到等厚球殼的過渡區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，單元劃分較細(xì)。Ⅳ區(qū)和Ⅷ區(qū)為大部分的等厚球殼區(qū)，單元劃分較疏，Ⅵ區(qū)為焊縫區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜，單元劃分更細(xì)(圖2)。
除瓶嘴和焊縫部分，因直線邊界或小區(qū)域采用的4節(jié)點(diǎn)單元外，其余瓶體部分基本上采用6-7節(jié)點(diǎn)等參單元如圖3所示。(b)、(c)為不同區(qū)域連接處使用的單元。14、23為過球心的半徑共線的直線邊界。
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