随着燃气汽车的广泛应用,储气站用气瓶使用量日益增加,增大气瓶容量和公称压力是提高气瓶储气能力的关键。为适应市场需求,开发大直径厚壁气瓶很有必要。传统站用气瓶的壁厚薄,淬火时将瓶口封堵,仅对其外壁进行单面淬火即可淬透。而大直径厚壁气瓶,必须对其内部和外部同时进行淬火冷却方能满足综合力学性能要求。由于大直径厚壁气瓶瓶口小,内径大,瓶壁厚、尺寸长,给气瓶淬火冷却带来很大困难。因此,研究设计适合大直径厚壁气瓶淬火冷却的工艺规程,是该类气瓶生产制造所急需解决的关键技术问题。对该问题的研究,不仅可以为大直径厚壁气瓶的淬火热处理工艺设计提供依据,还可以进一步加深对具有相对封闭内腔的工件在淬火冷却过程中,其内壁与淬火介质间热交换规律及内腔中压力变化规律的认识。因而,具有重要的理论与实际意义。论文以外径Φ914mm,壁厚38mm的大直径厚壁气瓶为研究对象,以大型有限元商业软件FLUENT和DEFORM为计算平台,对气瓶内部不同淬火工艺下的流动换热、应力及组织进行数值模拟计算,研究满足气瓶被淬透和获得组织均匀性的合理工艺及参数。对长度较短的厚壁气瓶采用浸水淬火工艺进行冷却,考虑了气瓶的旋转,采用滑移网格法,建立内部注水淬火过程流-热耦合数学模型,模拟了不同旋转速度下气瓶内流体的体积分数、速度矢量及瓶体温度分布,确定了最佳转速范围;分析了不同入口注水角度淬火时气瓶内壁轴向温度分布规律,确定了最佳入口注水角度参数,并通过实验验证了注水淬火过程数学模型的正确性。针对长管类厚壁气瓶内部淬火组织不均匀问题,采用内外连续喷水的淬火工艺,建立了多喷嘴喷水过程三维流-热耦合数学模型。以温度均匀性为实验指标,设计正交试验方案,计算了各实验方案的温度场分布,确定了合适的喷嘴喷水参数,研究了最优参数下气瓶淬火时内部流量、温度场分布规律。为计算瓶体被淬透的最佳水量,研究了不同喷水量下气瓶内部流场、温度场、及应力场变化规律,确定了气瓶淬火后获得较多马氏体组织的合理水量范围,建立了周期性简化模型下喷水量与气瓶内壁换热系数的关系,并通过实验验证了喷水淬火数学模型的正确性。为解决长管气瓶模型尺寸较大、难以整体计算的难题,建立了二维等效流-热耦合数学模型,研究气瓶长度、水流密度等对气瓶温度及内部压强的影响,确定了内壁换热系数与气瓶长度、水流密度的关系,发现在喷嘴布局等间距、等喷速条件下,气瓶内壁自瓶口至中部的温度呈逐渐升高趋势,指出了多喷嘴系统喷嘴分布应注意的问题。考虑到气瓶内部连续喷水产生高压蒸汽可能引起的安全隐患,提出了应用喷-停间歇喷水淬火工艺进行内部泄压。应用FLUENT软件计算了瓶体温度和内部压强的变化规律,确定了合理的喷水时间;以流-热耦合数学模型计算得出的内壁和外壁温度作为边界条件,采用DEFORM软件,模拟了淬火过程气瓶温度场、应力场和组织场的分布规律。将连续喷水与间歇喷水过程中的温度、压强、应力及组织模拟计算结果进行对比,结果表明:间歇喷水淬火工艺在实现瓶内及时泄压、提高气瓶内表面淬火均匀性的同时,能够保证瓶体获得足够的马氏体组织,是一种适合瓶体较长的大直径厚壁类罐状容器内部冷却的安全可行的淬火工艺。