双母线椭球壳液压成形研究

发布时间：2018-04-13 12:23

  本文选题：椭球壳 + 长椭球壳　； 参考：《哈尔滨工业大学》2015年博士论文

【摘要】：椭球壳体具有重心低和受风面积小等优点,适合用做大型水塔及运载火箭贮箱箱底等结构。轴长比λ2~(1/2)的扁椭球壳液压成形过程中赤道带存在纬向压应力,导致壳体失稳起皱而无法成形。为解决此类扁椭球壳液压成形过程赤道带起皱的难题,本文提出了双母线椭球壳结构作为液压成形前预制壳体的液压成形方法。通过理论研究、数值模拟和实验研究,对双母线椭球壳液压成形过程进行系统的研究,为此类扁椭球壳成形提供了理论指导。通过对受内压椭球壳的力学分析,给出了轴长比λ2~(1/2)的椭球壳纬向应力的拉压分界角与轴长比的定量关系。为了改变赤道带应力状态,使纬向压应力变为拉应力,提出用一段轴长比1λ2~(1/2)的椭球壳代替存在纬向压应力的赤道带,形成了双母线椭球壳结构,从而避免赤道带起皱缺陷。用无矩壳体理论解析了受内压双母线椭球壳的应力,给出了双母线椭球壳不同位置发生屈服的内压和壳体整体屈服内压sp。为了比较不同初始轴长比双母线椭球壳的轴长变化规律,进行了初始轴长比为λ=1.5,λ=1.7和λ=2.2的双母线椭球壳液压成形实验研究,证明赤道带没有发生起皱缺陷,获得形状符合要求的椭球壳体。获得了壳体轴长随内压的变化规律,短轴(旋转轴)随内压升高而显著伸长,伸长率随内压呈线性单调增加,初始轴长比越大,短轴的伸长率也越大;长轴(赤道轴)随内压的升高而轻微收缩。当达到成形内压1.5sp时,短轴伸长率分别为26.5%,31.8%和68.1%,长轴收缩率分别为1.3%,1.9%和2.7%。通过成形过程应变测试和理论计算,绘制了双母线椭球壳上典型点在屈服椭圆上的应力轨迹,并确定壳体的整体屈服内压sp的数值为3.0MPa。通过分析壳体母线方程的变化规律,确定了双母线椭球壳向单母线椭球壳转变的的临界内压,给出了分界角处曲率半径随内压的变化规律,第一段椭球壳(轴长比λ2~(1/2))的曲率半径随内压的升高而下降,第二段椭球壳(轴长比λ2~(1/2))的曲率半径随内压的升高而先升高后下降,当内压达到临界值1.1sp时,两段椭球壳的曲率半径一致,实现从双母线向单母线的转变。为了采用流体体积注入量控制最终椭球壳体形状,建立了椭球壳液体注入量与轴长比的数学模型,并给出了双母线椭球壳体积变化率与内压和轴长比的定量关系。体积变化率随着内压的增大呈指数规律升高,内压越高,体积变化率越快;但相同内压下,初始轴长比越大,体积变化率越大,当达到成形内压1.5sp时,体积变化率分别为16.6%,26.1%和41.0%。通过成形过程对不同区域壁厚的测量,给出壁厚的变化规律。壳体壁厚的最大减薄位于极点,最小减薄位于赤道带侧瓣中点,分界角附近的减薄介于极带和赤道带之间;三个壳体的最大减薄率分别为10.4%,16.3%和21.0%。为了根据目标壳体轴长比反求双母线椭球壳初始轴长比,并设计合理的预制壳结构,采用Box-Behnken中心组合设计方法,建立目标轴长与双母线椭球壳体预制结构参数及成形压力之间的响应面模型。对于目标轴长比λ=1.5的壳体,优化设计获得初始轴长比λ=2.0~2.2。逆向设计获得双母线椭球壳液压成形前预制壳结构和轴长比与实验吻合良好,轴长预测偏差不超过1%。通过数值模拟,给出双母线椭球壳液压成形过程壳体的应力分布规律,揭示了双母线椭球壳液压成形过程赤道带不发生起皱的机理。赤道带侧瓣中心在变形过程中纬向一直受拉应力作用,焊缝在变形初始阶段存在纬向压应力,随着内压的升高转为拉应力,压应力产生的原因是多面壳体二面角展开过程存在弯曲效应,在壳体外表面带来附加压应力,但不足以引起失稳起皱。结果表明:通过设计双母线椭球壳结构作为液压成形前预制壳体,改变了初始轴长比λ2~(1/2)椭球赤道带纬向受压的应力状态,避免了赤道带的失稳起皱。通过数值模拟,研究双母线椭球壳液压成形过程中塑性变形的发生和发展规律。结果表明:双母线椭球壳的分界角最先发生塑性变形,引起该处两段壳体的曲率半径发生变化直至最后趋于一致;随后极板发生塑性变形,并向赤道带方向拓展,极带是塑性变形最剧烈区域;赤道面最后发生塑性变形,且塑性变形量最小;与焊缝附近相比,侧瓣中心线更容易发生塑性变形。初始轴长比λ1的长椭球适用于易挥发液体的储存容器,因为在相同纬度时,长椭球壳封口的横截面积更小。为解决长椭球壳液压成形过程中极带不变形的难题,提出双母线长椭球壳结构作为液压成形前预制壳体,有效降低了极带屈服内压,使壳体各处同时变形。进行初始轴长比λ=0.7的双母线长椭球壳液压成形实验研究,获得形状符合设计要求的长椭球壳体。得到了变形过程轴长、体积和壁厚随内压的变化规律。长轴(旋转轴)和短轴(赤道轴)随内压增加均略有增加,短轴的伸长率大于长轴;体积变化率随着内压的升高略有增加;赤道带是变形量最大的区域,减薄最严重。当成形内压为5.5MPa时,长轴和短轴变化率分别为2.1%和8.7%,体积变化率为7.3%,最大减薄率为12.7%。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG394

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本文编号：1744471