Ⅳ型压力容器金属阀座裙边凹口结构参数优化设计与力学仿真

牛屾; 侯涛; 刘现春; 明平美; 任磊; 张峥

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2508233

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :13072-13079 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2508233

论文：机械、仪表工业

Ⅳ型压力容器金属阀座裙边凹口结构参数优化设计与力学仿真

牛屾 ¹ ,
侯涛 ¹ ,
刘现春 ² ,
明平美 ¹ ,
任磊 ¹ ,
张峥 ¹

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Parametric Optimization and Mechanical Analysis of Skirt-notch Structures for Metal Boss in Type Ⅳ Pressure Vessels

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摘要

金属阀座是Ⅳ型压力容器的受力部件,通常为一体化完整裙边结构,在提拉载荷作用下会产生应力集中现象,降低结构强度与使用寿命。提出了一种金属阀座裙边凹口结构,以提高Ⅳ型压力容器在提拉搬运时金属阀座裙边应力分布的均匀性。首先,根据金属阀座基本尺寸推导出裙边凹口结构个数、长度和宽度的理论计算公式,并在给定条件下计算出参数的取值范围。然后,建立Ⅳ型压力容器封头段结构力学有限元模型,以金属阀座裙边Mises应力差值作为应力分布均匀性的评价指标。最后,采用单因素试验与响应面法组合,对裙边凹口参数进行分析与优化。研究结果表明,随着长度、宽度和个数的增加,Mises应力差值先下降后上升,对Mises应力差值的影响顺序是个数>宽度>长度。采用长度为7.8 mm、宽度为16.3 mm、个数为3的优选参数后,相比于传统金属阀座,新型金属阀座的Mises应力差值降低45.1%,应力分布更加均匀,可有效提高Ⅳ型压力容器金属阀座的结构强度与使用寿命。

Abstract

The metal boss is a load-bearing component of Type Ⅳ pressure vessels. It usually adopts an integrated skirt structure, where stress concentration occurs under lifting loads, reducing structural strength and service life. A skirt-notch structure for the metal boss was proposed to improve stress uniformity in the skirt region during lifting operations. First, theoretical formulas for the number, length, and width of the skirt notches were derived based on the basic dimensions of the boss, and the feasible parameter ranges were calculated under given conditions. Then, a finite element structural mechanics model of the type Ⅳ pressure vessel head section was established, and the Mises stress difference in the skirt region was used as the evaluation index for stress uniformity. Finally, single-factor tests and response surface methodology were combined to analyze and optimize the notch parameters. The results show that the Mises stress difference decreases first and then increases as the notch length, width, and number increase. The influence order is number > width > length. With the optimized parameters of a length of 7.8 mm, a width of 16.3 mm, and a number of 3, the Mises stress difference is reduced by 45.1% compared with the traditional boss, and the stress distribution becomes more uniform. The proposed skirt-notch structure effectively enhances the structural strength and service life of metal boss in type Ⅳ pressure vessels.

Graphical abstract

关键词

Ⅳ型压力容器 / 金属阀座 / 裙边凹口 / 结构力学仿真 / 应力分布

Key words

type Ⅳ pressure vessel / metal boss / skirt-notch / structural mechanical simulation / stress distribution

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牛屾, 侯涛, 刘现春, 明平美, 任磊, 张峥. Ⅳ型压力容器金属阀座裙边凹口结构参数优化设计与力学仿真[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(30): 13072-13079 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2508233

NIU Shen, HOU Tao, LIU Xian-chun, MING Ping-mei, REN Lei, ZHANG Zheng. Parametric Optimization and Mechanical Analysis of Skirt-notch Structures for Metal Boss in Type Ⅳ Pressure Vessels[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(30): 13072-13079 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2508233

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工业气体被誉为“工业的血液”,在能源、化工、电子及航天等领域具有重要作用。但是,在工业气体储运过程中存在高压、易燃、易爆等安全隐患,对储存容器性能要求极高^[1-5]。相比于I型、Ⅱ型和Ⅲ型压力容器,Ⅳ型压力容器采用全复合材料结构,内胆为高分子材料,外层碳纤维缠绕成型,取代传统金属内胆,具有质量轻、耐腐蚀、强度高、储气效率高等优点,是当前高压气体储存的主要发展方向^[6-9]。

金属阀座位于Ⅳ型压力容器聚合物内胆的开口处,是连接内胆与外部瓶阀的重要过渡构件,外形通常为轴对称环状结构,其基本组成包括阀座颈部、裙边过渡段和底部承载区等^[10]。金属阀座不仅是Ⅳ型压力容器气体充装与释放的通道,也是Ⅳ型压力容器在提拉过程中的受力部件。因此,金属阀座的几何形状和连接方式是Ⅳ型压力容器设计中的核心内容^[11]。

现有Ⅳ型压力容器主要应用于车载储氢领域,其安装位置受空间限制且通常固定使用^[12]。因此,目前金属阀座的研究主要聚焦于改善承压强度、密封性能等方面。Shao等^[13]对金属阀座内表面密封环和密封槽进行仿真分析和优化,为密封结构的优化设计提供参考。Zhu等^[14]在金属阀座的颈部设计出止动旋转平台和止动旋转孔,实现内胆、金属阀座和复合层的紧密连接。Meng等^[15]对金属阀座裙边半径、颈部与裙边过渡结构进行尺寸优化,提高承压强度。陈怡博等^[16]在金属阀座内表面设计出梯形环向凹槽,增强密封性能。Park等^[17]对金属阀座的直径、高度等结构参数进行优化,实现金属阀座的轻量化。但是,在工业气体储运领域,金属阀座需要频繁承受提拉产生的较大动态载荷。此时,传统金属阀座一体化完整裙边结构存在显著的应力集中现象,容易产生局部裂纹或变形,从而削弱结构承载能力并大幅缩短使用寿命。然而,有关提高金属阀座裙边应力分布均匀性的研究仍然鲜有报道。

因此,现设计出金属阀座裙边凹口结构,基于结构力学有限元分析,采用单因素试验和响应面法,深入研究凹口个数、长度与宽度对裙边应力分布的影响及各参数间影响程度,最终得出优选参数组合,以改善金属阀座裙边应力分布的均匀性,推动Ⅳ型压力容器在工业气体储运领域中的应用。

1 金属阀座裙边凹口结构

在车载储氢领域,Ⅳ型压力容器通常以固定安装方式使用,其金属阀座多采用一体化裙边结构,如图1所示,该结构是成功经过试验验证的^[18-19]。但是,在工业气体储运领域,Ⅳ型压力容器需要频繁提拉搬运。在此过程中,提拉载荷直接作用在与金属阀座连接的瓶阀上,其会沿瓶阀传递至金属阀座,使金属阀座成为受力部件。传统金属阀座为一体化裙边结构,其整体刚度较高,缺乏有效的应力调节机制,会出现应力分布不均,导致金属阀座容易出现裂纹、变形等现象。

因此,提出一种金属阀座裙边凹口结构设计思路(图2):在传统金属阀座外缘加工若干裙边凹口,该结构起应力释放作用,有望提高提拉载荷作用时金属阀座的结构强度与使用寿命。新型金属阀座包括螺纹连接口、颈部、裙边、底部与裙边凹口。凹口形状为矩形,关键参数包括长度L、宽度W和个数X。长度L不宜过长,否则会削弱局部承载截面并降低结构刚度。个数X与宽度W需协同考虑,随着X或W任一参数增大,凹口之间的金属区域会同步缩窄,当X或W取值过大,裙边易形成环向薄弱区并诱发开裂。因此,需要根据金属阀座基本尺寸推导出裙边凹口参数的理论计算公式。

Ⅳ型压力容器封头段包括金属阀座、塑料内胆与纤维复合材料层。金属阀座基本尺寸如图3所示。

基于金属阀座的形状和裙边凹口结构的设计思路,可获得长度L、宽度W和个数X的计算公式为

(1)$\mathit{L}<\frac{{\mathit{D}}_{4}-{\mathit{D}}_{3}}{2}$

(2)$\mathit{X}\mathit{W}<\frac{\mathrm{\pi }({\mathit{D}}_{4}-\mathit{L})}{2}$

为验证金属阀座裙边凹口结构在改善应力分布方面的有效性,以一组基本尺寸作为示例开展力学仿真研究,其中,D₁为70 mm,D₂为80 mm,D₃为88 mm,D₄为112 mm,D₅为332 mm,D₆为352 mm,H₁为32 mm,H₂为5 mm,H₃为14 mm,H₄为65 mm,H₅为73 mm,t为6.5 mm。

首先,将金属阀座基本尺寸代入方程[式(1)],通过计算裙边凹口长度L不应超过12 mm。其次,将基本尺寸与长度L的最大值代入方程[式(2)],可得个数X与宽度W的乘积应小于157 mm。考虑到裙边凹口作为应力释放结构,其长度、宽度和个数不宜过小。因此,金属阀座裙边凹口结构的长度范围为2~10 mm,宽度范围为8~24 mm,个数范围为2~6。

为系统探究金属阀座裙边凹口的几何结构参数对金属阀座整体结构强度及使用寿命的影响机制,明确不同结构参数组合下金属阀座力学响应的变化规律,需要开展结构力学有限元仿真,为裙边凹口结构优化设计提供理论指导与数据支撑。

2 仿真试验设计

2.1 结构力学有限元分析

为分析Ⅳ型压力容器金属阀座在提拉载荷F作用时的受力情况,采用所给出的设计尺寸建立Ⅳ型压力容器封头段模型,如图4所示,并在ABAQUS有限元分析软件中设置相应的边界条件,包括Tie接触、固定约束、外部载荷和材料属性。

塑料内胆与金属阀座、纤维复合材料层与塑料内胆的接触属性设置均为Tie接触。一方面,Tie接触能够将两个接触面的节点运动进行绑定,使其在仿真过程中保持相同位移,从而等效模拟刚性连接关系。另一方面,Tie结束既能够反映真实结构的整体受力特性,又可以提高计算的稳定性。

在封头段模型的下端以及塑料内胆内壁位置施加固定约束。采用固定约束能避免有限元计算过程中对结构的主要受力区域产生干扰,同时消除刚体运动对计算结果的影响,增强仿真结果的可靠性。

Ⅳ型压力容器在提拉搬运过程中,外部提拉力通常通过瓶阀传递至金属阀座及其周围结构。为模拟这一工况,将其简化为施加在金属阀座上的向上集中拉力载荷,并以10 MPa的力作为示例进行分析。

金属阀座采用6061铝合金材料,其杨氏模量为68.9 GPa,泊松比为0.324。内胆材料选用杨氏模量为0.84 GPa的高密度聚乙烯材料,其泊松比为0.38。纤维复合材料层为T700碳纤维-树脂复合材料为各向异性材料,杨氏模量E₁₁=154.1 GPa,E₂₂=E₃₃=11.41 GPa,泊松比υ₁₂=υ₁₃=0.49,υ₂₃=0.33,剪切模量G₁₂=G₁₃=7 092 MPa,G₂₃=3 792 MPa。

金属阀座在提拉载荷作用下处于复杂的三维应力状态,其内部存在多方向正应力与剪应力。为便于对屈服风险进行统一评价,采用Mises应力作为等效指标。Mises应力越大,说明该区域综合受力越接近材料屈服极限,材料越容易被破坏。因此,Mises应力用于分析金属阀座各区域应力情况。

在金属阀座仿真应力云图上,沿图1所示的应力分析路径提取Mises应力,以此获得金属阀座裙边的应力分布。计算应力最大值与最小值的差值,定义为Mises应力差值,用以表征裙边结构的受力均匀性。Mises应力差值反映应力分布的一致性:差值越小,应力在结构中分布更为均匀,表示局部不会出现显著的应力集中区,能够有效避免提拉载荷作用时材料产生微裂纹萌生与塑性变形,从而提升金属阀座的结构强度与服役寿命。因此,Mises应力差值是衡量金属阀座优化效果的重要指标。

在网格划分时,采用标准六面体网格,网格类型为C3D8R。保持边界条件不变,选取5组不同的网格尺寸,采用Mises应力差值表征方法,对金属阀座进行网格独立性验证,以确定网格尺寸,其结果如表1所示。当网格尺寸从2.8 mm下降到2.6 mm时,变化率高达104.1%,说明2.8 mm的网格太粗,一个网格单元跨越的区域过大,无法准确反映真实应力变化。当网格尺寸从2.6 mm下降到2 mm时,变化率大幅下降,最终的变化率仅为0.6%,表明该网格尺寸下计算结果已趋于稳定,继续细化网格对计算结果的影响很小。因此,后续分析均采用网格尺寸2.0 mm进行仿真试验。

2.2 试验设计方法

以新型金属阀座作为试验对象,在裙边凹口参数的范围内取5个分级,即长度为2、4、6、8、10 mm,宽度为8、12、16、20、24 mm,个数为2、3、4、5、6。在不同的分级条件下进行结构力学仿真,得到仿真云图并计算出Mises应力差值,采取单因素试验与响应面法组合,揭示金属阀座裙边凹口结构参数与其受力分布的内在关联,明确参数对受力分布规律的影响机制,进而获得优选参数组合。

首先,采用单因素实验,获取单一因素对Mises应力差值的影响变化规律,从而初步筛选出对Mises应力差值影响显著的最佳参数^[20]。单因素实验只能得到单一因素对结果的影响以及初步最优值,无法分析参数之间存在的交互影响以及最佳结果。然后,采用响应面法进行分析,以单因素试验的最佳参数为中心点,上下各取一个水平,得到各因素对应力差值影响的相互作用结果以及在较少试验次数下获得最优参数组合^[21]。最后,在金属阀座裙边凹口优选参数确定之后,为进一步验证凹口结构的优越性,将传统金属阀座与新型金属阀座进行对比试验。

3 结果与讨论

3.1 单因素试验

由图5所示,当金属阀座裙边凹口长度为8 mm时,Mises 应力差值达到最小,为17.400 6 MPa,说明此时应力分布最为均匀。随着长度由2 mm 增至6 mm,Mises应力差值显著下降,表明适当增加凹口长度有助于扩大应力释放区域;当长度由6 mm增至8 mm时,Mises应力差值变化趋缓,说明结构在该区间进入较为稳定的受力平衡状态。然而,当长度继续增大至10 mm时,Mises应力差值出现回升,原因在于过长的凹口削弱裙部材料的整体刚度,使结构强度降低,反而引起新的应力集中。因此,最佳金属阀座裙边凹口长度初步定为8 mm。

由图6所示,金属阀座裙边凹口宽度为16 mm时,Mises应力差值最小,为17.400 6 MPa。Mises应力差值随宽度由8 mm增至16 mm明显下降,16~24 mm则明显上升。说明适度增大宽度可促进压力平衡、减小Mises应力差值,但过度增大会削弱阀座裙部结构完整性与刚度,导致Mises应力差值重新增大。因此,最佳金属阀座裙边凹口宽度初步定为16 mm。

由图7所示,当金属阀座裙边凹口个数为3个时,Mises应力差值为最小值17.400 6 MPa,说明此时阀座的应力分布最为均匀。个数由2个增加至3个,Mises应力差值变化平缓,表明适当增加个数有助于释放局部应力集中,改善应力传递路径;但当个数继续增加至4个及以上时,Mises应力差值迅速增大,原因在于过多凹口削弱裙边整体刚度,使载荷分担能力下降,局部区域发生新的应力集中。因此,最佳金属阀座裙边凹口个数初步定为3。

3.2 响应面法优化分析及结果

响应面法基于单因素实验结果开展优化设计。由上述分析可知,当裙边凹口长度A为8 mm、宽度B为16 mm、个数C为3个时,金属阀座的Mises应力差值最小,因此将该组参数作为响应面设计的中心点,并在其上下各选取一个水平,构建三因素三水平试验方案:设计变量分别为长度A、宽度B及个数C,其水平范围分别设定为:A=6、8、10 mm,B=12、16、20 mm,C=2、3、4个,如表2所示。

以Mises应力差值作为响应值,采用响应面法对金属阀座裙边凹口结构参数进行试验设计,以分析各因素及其交互作用对受力均匀性的影响规律。试验共设置15个试验点,其中包括12个析因点和3个中心点。12个析因点对应12组不同水平的参数组合,用于考察各设计变量在不同取值条件下对响应值的影响;3个中心点则选取初步最优参数附近的中心水平进行重复布置,以估计试验误差并检验模型的稳定性与可靠性,具体试验方案及参数组合如表3所示。

对试验结果进行二次多元回归拟合,建立Mises应力差值与各设计变量之间的响应面回归模型。

(3)$\mathit{Y}=17.39-0.031\mathrm{ }7\mathit{A}+0.654\mathrm{ }8\mathit{B}+1.84\mathit{C}+0.070\mathrm{ }6\mathit{A}\mathit{B}-0.058\mathrm{ }4\mathit{A}\mathit{C}+0.926\mathrm{ }3\mathit{B}\mathit{C}+0.151\mathrm{ }8{\mathit{A}}^{2}+1.17{\mathit{B}}^{2}+3.23{\mathit{C}}^{2}$

方差分析结果如表4所示,该模型的F=53.44,P=0.000 2,说明回归模型整体达到极显著水平,具有统计学意义。同时,失拟项的P=0.200 8,大于0.05,表明失拟项不显著,说明回归模型与试验数据拟合良好,能够较真实地反映响应值的变化规律。模型决定系数R²=0.989 7,校正决定系数R_adj²=0.971 2,二者均接近于1,表明模型拟合优度较高,具有较高的可靠性和预测精度。

进一步分析各因素显著性可知,长度(A)的P为0.830 2,P>0.05,表明长度对模型影响不显著。宽度(B)的P=0.005 5(P<0.01),表明宽度对模型呈极显著影响。个数(C)的P<0.000 1(P<0.01),表明个数对模型呈极显著影响。互交项中BC、B²、C²的 P<0.01,表明对模型均呈极显著影响,AB、AC、A²的P>0.05,表明对模型均不显著。比较A、B、C之间的F,F_C>F_B>F_A,表明各因素的影响程度依次是金属阀座裙边凹口的个数>宽度>长度。不同因素对Mises应力差值的影响并不是单一线性关系,而是各因素相互作用的结果。

图8~图10所示为不同参数组合的响应面三维曲线图与投影图,对不同因素之间的交互影响进行比较分析。交互影响根据响应面的陡峭程度和等高线的密集程度判断,响应曲面越陡,则说明两个水平交互作用越显著,等高线越密集且越接近椭圆形,则说明这两个因素水平交互作用越明显。通过三维曲线图可得,金属阀座裙边凹口个数和宽度之间交互最为明显。

利用Design-Expert 13对回归方程进行分析,得到Mises应力差值最小值的最佳条件:金属阀座裙边凹口的长度为7.843 88 mm,宽度为16.254 4 mm,个数为2.140 23。根据实际情况将长度定为7.8 mm,宽度定为16.3 mm,个数定为3。

3.3 对比试验分析

在响应面法得到优化参数后,通过应力分布图可以清晰直观地看到两种结构的力学响应差异,如图11和图12所示。传统金属阀座Mises应力最大值约为39 MPa,新型金属阀座Mises应力最大值为41 MPa,可以发现,增加金属阀座裙边凹口这一设计改动,并未导致金属阀座整体区域的最大Mises应力值出现大幅度的提升。因此,仿真结果从力学角度证实了该结构改进的合理性与可靠性,即未大幅增加金属阀座受到的最大应力。

由图13可知,传统金属阀座与新型金属阀座沿路径方向的Mises应力变化规律基本一致,均呈现出“先缓慢上升-快速增加-达到峰值-随后逐渐下降”的变化趋势,说明两种结构在相同载荷条件下的整体受力模式相似。沿路径初始段,应力值整体较低,变化较为平缓,表明该区域远离主要受力集中区域,结构受力较小。

随着路径向阀座裙边过渡区域移动,应力开始明显增大,说明该区域为结构受力传递的重要位置。当路径接近裙边与过渡圆角区域时,Mises应力迅速上升并达到最大值,该位置也是金属阀座结构中最容易产生应力集中的区域。传统金属阀座在该区域形成明显的应力峰值,曲线较为陡峭,表明局部应力集中程度较高。

与传统结构相比,新型金属阀座的应力变化曲线整体更加平滑。在应力快速增长阶段,两者应力值基本接近,但在峰值附近,新型结构的应力增长速度有所减缓,峰值位置的应力分布更加平缓,说明通过结构优化后,局部刚度与载荷传递路径得到改善,使应力集中程度有所降低,结构应力分布更加均匀。

表5进一步给出了传统金属阀座与新型金属阀座的最大Mises应力、最小Mises应力及Mises应力差值。两种金属阀座结构的最大Mises应力差别较小,但是最小Mises应力却相差很大。与传统金属阀座的Mises应力差值相比,新型金属阀座的Mises应力差值由30.72 MPa下降到约16.68 MPa,降低约45.1%。因此,新型金属阀座能够显著降低提拉载荷作用时材料产生裂纹与塑性变形的风险,提高金属阀座的结构强度与使用寿命,有助于推动Ⅳ型压力容器在工业气体储运领域中的应用。

4 结论

提出了Ⅳ型压力容器金属阀座裙边凹口结构,以改善提拉载荷作用时应力分布不均现象。首先,根据金属阀座基本尺寸推导得出裙边凹口结构个数、长度和宽度的计算公式,并在给定条件下计算出裙边凹口参数取值范围。然后,建立Ⅳ型压力容器封头段结构力学有限元仿真模型,以金属阀座裙边Mises应力差值作为应力分布均匀性的评价指标。最后,采取单因素试验与响应面法组合分析,得到各参数对Mises应力差值的影响规律与最终优化结果,得出如下结论。

(1)单因素试验结果表明,随着长度增加,Mises应力差值表现出先降低后升高的规律,在8 mm时差值最小。随着宽度增加,Mises应力差值呈先下降后上升趋势,在宽度16 mm时差值最小。随着个数增加,Mises应力差值先减小后增大,个数为3时差值最小。

(2)响应面法结果表明,各因素对Mises应力差值的影响程度依次是裙边凹口个数>宽度>长度。凹口个数和宽度之间交互作用对Mises应力差值的影响最为显著。裙边凹口结构的最优设计参数组合是长度为7.8 mm,宽度为16.3 mm,凹口个数为3。

(3)与传统金属阀座相比,采用具有优选裙边凹口结构参数的新型金属阀座Mises应力差值降低45.1%。因此,裙边凹口结构能改善应力分布,避免提拉载荷作用时材料产生裂纹与变形,从而提高金属阀座的结构强度与使用寿命。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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