文献综述:
压力舱是我国在工业、军事、医学方面有广泛运用的部件,压力舱的选择和内部压力控制也成为了相关研究方面的重要课题。
首先关于压力舱的硬件设计,其中包括了材料和设计两方面。
在材料方面,现在主要存在玻璃纤维材料[1]和金属材料[2]两种选择。
金属材料是目前在制造压力舱时的主流选择,其中尤其以钢材为甚,钢材有优秀的延展性和力学性能,且由于应用范围较为广泛,在选材时可供选择的品种较为齐全,但这并不意味着钢材是制造压力容器的完美选择,在一篇关于大直径薄壁压力仓的研究的论文中[2],作者发现在三种不同直径-壁厚比、不同材料的压力舱的压力测试中,实际能够承受的最大压力均小于理论最大压力,但是后两个压力舱的实际最大压力较其理论最大压力均出现过小的情况,作者认为造成实际能够承受最大压力小于理论值的根本问题在于钢材制造的压力舱的圆柱部分并非完美的圆柱,即存在形状缺陷,在舱体由弹性形变阶段转向非弹性形变阶段时,形状缺陷部分会发生应力集中,由此导致实际最大压力小于理论最大压力。且就后两个压力舱的实际最大压力远小于理论最大压力问题,作者提出了两种可能的原因,其一为对于弹性性能不同的材料形状缺陷的影响程度不同,对弹性性能较差的材料形状缺陷造成的影响会较弹性性能较好的材料更大;其二为对于第三个压力容器上出现的即使考虑形状缺陷以及材料弹性问题依然不合理的实际与理论最大压力的巨大差距,作者提出这可能是由于在焊接之后未对舱体进行后续热处理,也就意味着舱体中可能存在焊接导致的残存应力,这些残存应力导致了舱体在远小于理论最大压力的情况下的失效。除去以上提到的问题外,钢制容器价格昂贵,质量较大,还会面临腐蚀等众多问题,故我们可以看出钢材制造的压力容器目前仍然存在着众多需要解决的问题。目前金属压力容器除了钢材料之外,还存在钛、铜、铝等选择,但是这些材料与钢材面临着相似的难题,且往往被应用于有特殊需求的场合,并不能作为平价的钢材的替代品。
然而即使考虑到金属材料存在的众多缺陷,玻璃纤维材料并不能作为完美替代金属材料的答案,虽然玻璃纤维的强度较钢材更大,重量更轻,且多采用一次成型,不存在剩余应力问题,但是如上文提到过的一样,实际操作中由于形状缺陷导致的应力非线性变化会导致实际的失效压力小于理论值,对玻璃纤维这一缺少弹性的材料而言,其实际失效压力和理论值之间的差距足以抵消它对金属材料拥有的优势,且在失效时由于材料本身缺少弹性,故危险性也比较大[4],另外由于复合材料能够承受的最高工作温度较低,故多不用于工业生产,因此多利用其质量轻的特点,将其用于住宅应用,目前并没有广泛的利用。
由上文所示,在找到一种能够解决形状缺陷、应力集中等问题的解决方案之前,压力舱的设计、制作工艺、材料选择仍将是工程师们面临的困难的问题。
压力舱除了材料方面的设计考量之外还存在形状方面的设计考量,虽然一般常见的压力舱的形状设计采用塔状、圆柱状或者球状设计较为常见[5],但是在船舶运输高压液化气体之类的特殊场合时,由于一次需要运输尽可能多的液化气,且舱内压力并不会达到过大的数值,亦可考虑使用方形的设计以达成空间利用最大化的目的[3],在使用特殊形状设计时需要考虑可能出现的局部的应力集中并在外部使用肋片进行加固或者在内部进行分区以分散压力分布,但是不可否认的是这些形状较为特殊的压力容器的设计中存在诸多缺陷,故只能用于一些特殊的场合,在平时的使用中,我们还是偏向使用传统的压力舱形状设计。
