随着人类科学技术水平的提高，现代航空航天及深海探测技术必须向着更高效，更安全的方向发展，这样就要相应地提高在应急状态下的应急挽回以及救护问题，以保证技术人员的人身安全与任务的顺利进行。在当代社会，高压空气系统是保证技术人员安全与救护的最主要的生命力系统，因此，在发展安保救护能力时，不可避免地要提高对高压空气系统的要求，这就表明了我们要加大高压空气应急吹除速率，提高高压空气的储备量。进入21世纪以来，广泛应用在各方面的是25Mpa级钢制高压气瓶，对其材料性能的研究和成型工艺的改善已经在各方面做的十分完善了，但经过十多年的发展，25Mpa级钢制高压气瓶已经不能紧跟当代科技快速发展的现状，在很多方面已经无法满足人们对高压气瓶的要求[1]。921钢是作为目前25MPa级钢制高压气瓶的主要材料,要提高气瓶的强度,只能用增加壁厚来实现, 而且只能达到有限的程度,同时会大大增加气瓶的重量，这样将使得相对有效载荷相应地减少，而且对运输工作的重量平衡和总体分布都会带来很大困难。还有921钢制高压气瓶的耐腐蚀能力差,受腐蚀的高压气瓶内部出现的各种腐蚀，其产物也会污染高压空气,这将使整套高压空气系统的可靠性大大降低。

研制出重量轻、耐腐蚀、容量高的更高性能的新型材料的高压气瓶成为了目前对应急救护研究的前沿[2]。而早在前些年，钛合金的应用逐渐被行业所重视，开始陆续出现钛合金相关应用设计与制造，其中就有李杰等人研究并提出了40MPa级钛合金制高压气瓶，他们选用钛合金制作高压气瓶主要有以下几个方面的优势：钛合金是一种优质的高强度结构材料，适应多种现代先进技术，只要在在满足相应的技术要求，从技术上讲钛合金气瓶的许用最高设计压力可达100MPa[1][3]，因而完全满足制作高于25MPa的高压。钛合金的质量属强度很小，钛合金的比重为44gm³，只有钢比重的57%。在相同压力、容积的情况下，钛合金气瓶只有钢气瓶的重量40%。如果把工作压力为25MPa的钢制高压气瓶改为40MPa的钛合金高压气瓶，则在高压气瓶总重量有所降低的情况下,高压空气的储量提高近60%,这对于提高潜艇的应急挽回能力具有非常重大的意义。钛材的价格仅是船用钢的2~3倍,但考虑到使用寿命和技术性能等,钛合金高压气瓶的一次性投资虽然较高，但以后的维修费用低、使用期长其经济效益非常明显。采用钛合金材料耐腐蚀效果明显，使得气瓶的寿命相应提高到至少30年，而且使高压气瓶免维护保养[1][4][5]。
综上所述40MPa钛合金高压气瓶，对提高高压气瓶的可靠性、安全性、气源的品质是十分重要的，在提高高压空气系统的性能也很具有重大而深远的意义。因此发展对其的研制方法和方案，改善研制参数的工作刻不容缓，同时这也是促进钛合金在民品中的应用的研究工作的重要铺垫[6][7]。

1.1国内外研究现状分析

1.1.1国外研究现状

1982年,印度 Vikram sarabhai space center承担了研发钛合金高压气瓶的任务。由于钛合金的高硬度，以及对液体燃料的不活跃特性，很适合应用于航天技术，因此选用TC4为原料制作气瓶，并用于卫星发射系统。早在1950年，美国海军开始注意到钛合金用于舰船工业的可能性。1963年，美国开始进行大量的工程研究，成功地将钛合金材料用于各类动力的潜艇。这里的应用主要是在大面积的耐压壳体，其中代替了大量高强度钢，大大提高了当时美国在深潜研究的进程，值得注意的是它的高压空气气瓶已经是采用TC4做成的。1989年，日本三菱重工用TC4建造了一艘能够下潜10000m的高强度密封压力容器用于海洋调查。这个压力容器没有用焊接件，因为焊接会降低该材料的很多性能。1994年俄罗斯科学院的科研人员用钛合金片材，通过超塑性成形技术制作球形高压气瓶[8]。

在有限元分析用于仿真生产的过程，也获得了很多有价值的经验。2002年俄亥俄州立大学 Tommy Joe George做了一项研究，主要是设计和分析一个可承受60MPa外压的热塑性材料的压力容器，成功制成了一个按比例缩小的压力容器模型，也成功通过了试验。他们用有限元方法分析该压力容器，在分析中充分考虑到了各种不同的载荷条件，边界条件和安全应力系数[9]。日本船用钛合金主要用于深潜器的耐压壳体。钛合金具有一定的超塑性,通过控制加工工艺使其获得优异的超塑性，但是只有TC4合金最好[4]。目前TC4合金超塑性板的应用得到了广泛深入的研究。应用领域也由用于一般的航空航天的结构件，发展到用于吹制航天用的大型容器及超大型复杂结构件。美国超塑性成形公司等一些国外公司已经广泛地把超塑性技术用于各类复杂钛合金零件的生产中[10][11]。到最近几年，他们有通过大型仿真软件用不同的材料去影响钛合金的性能以满足在锻压、成形、焊接、热处理等工艺上的更高要求，例如：激光诱导TC4表面氧化着色的工艺[12]，经过计算机的精确模拟成型，可以大大提高生产率、降低研发成本、提高产品质量。

1.1.2国内研究现状

国内对钛合金的研究相对国外起步较晚，早期在中国航天航空事业需求下，钛合金的研究与应用才开始逐步开展。经过多位专家学者几十年的研究，国内钛合金应用也做出了许多重大突破。钛气瓶在航空航天工业应用广泛,主要为各类航天器上的钛合金球形高压气瓶[13]。我国研制的长征系列火箭上箭体结构和推进系统中不仅均采用钛合金作为主要材料,还有用于储存高压燃气和空气都是使用钛气瓶[14]。航天工业部708所与211厂、机械工业部北京机电研究所、宝鸡稀有金属加工研究所等单位均在整体超塑成形技术上做出过重要贡献，同时极大推进了钛气瓶的研制工作。2001年中科院金属研究所用有限元法对钛气瓶进行了应力分布计算模拟和结构优化设计，并通过水压爆破试验对优化结果进行验证[15][16]。2012年6月，中国中船重工集团公司七O二所、中科院沈阳自动化所等科研机构与企业联合攻关的蛟龙号载人潜水器成功下潜了7000多米,其潜水器外壳和储存高压空气的气罐的成功都是钛合金应用的最佳代表。到最近几年对钛合金材料的研究更加广阔有深度，在钛合金性能研究，钛合金应用设计与优化上，采用了更多不同的设计方法来设计和优化参数[3][17][18]。近几年精密加工成型技术也有很快的发展，在高压气瓶制造工艺方面，特别是无缝技术一直都具有重要意义，特别在航空航天，深海探测以及军工行业[8]。随着无缝技术提高，国内相对应的成型技术，如拉拔，旋压等，也需要更新的研究方案或方法，来达到一个新的水平。在这些技术研究的要求下，将应用有限元分析用于仿真模拟设计及工艺改进，是目前国内研究方法的前沿。在这里我也将运用有限元分析，结合钛合金材料特性，提出其制造40MPa高压气瓶的模具结构及相关参数。