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关于IV储氢气瓶金属 boss 疲劳断裂:危险从何而来?

1天前浏览11
储氢气瓶的金属 boss 部位,由于结构的特殊性,往往存在应力集中现象。在气瓶的日常使用中,频繁的加压、卸压操作,使得金属 boss 不断承受交变载荷。同时,氢气在高压环境下会渗入金属内部,引发氢脆现象,进一步降低金属材料的性能。在这些因素的共同作用下,金属 boss 就容易出现疲劳断裂。
在进行计算之前,我们需要铺垫点计算公式:
Goodman 公式:是一种用于估算在交变应力和平均应力共同作用下材料疲劳寿命的经验公式,适用于描述具有一定屈服强度和疲劳极限的金属材料在循环载荷下的疲劳性能。(当然计算金属疲劳的公式还有很多);这里我摘取了网上的一段解释疲劳分析|Abaqus Goodman方法案例操作_Abaqus_结构基础_理论_科普-仿真秀干货文章

基于这些铺垫,开始我们今天的计算;

假设某储氢气瓶金属 boss 处的材料为某高强度合金钢,其材料的疲劳极限σ-1= 300MPa。在实际使用中,金属 boss 所受的最大应力 σmax= 400MPa,最小应力 σmin= 100MPa。

首先,我们计算应力幅σa和平均应力σm

然后,根据疲劳寿命估算的 Goodman 公式:

(其中σb
为材料的抗拉强度,假设该材料的抗拉强度σb= 800MPa)),我们可以计算在这种应力状态下材料的疲劳寿命折减系数。


将数据代入公式可得:

这意味着,在当前应力状态下,材料的实际疲劳寿命约为理想状态(仅考虑疲劳极限)下的(81.25%) 。如果按照理想状态下该材料能承受N0 = 100万次循环加载,那么在当前应力状态下,其疲劳寿命N约为:

N = N0×0.8125 = 1000000×0.8125 = 812500次循环加载 ;

而在实际情况中,由于氢脆等因素的影响,疲劳寿命还会进一步降低。(当然了这个N0的实际的次数也有浮动)

我之前用另一个方法计算过,大家可以看看:

IV储氢气瓶阀座(boss)一个设计理念

来源:气瓶设计的小工程师
疲劳断裂材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-05-09
最近编辑:1天前
气瓶设计的小攻城狮
硕士 从事IV储氢气瓶行业。
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