雙母線橢球殼液壓成形研究.pdf

1、橢球殼體具有重心低和受風(fēng)面積小等優(yōu)點(diǎn)，適合用做大型水塔及運(yùn)載火箭貯箱箱底等結(jié)構(gòu)。軸長(zhǎng)比λ>√2的扁橢球殼液壓成形過(guò)程中赤道帶存在緯向壓應(yīng)力,導(dǎo)致殼體失穩(wěn)起皺而無(wú)法成形。為解決此類扁橢球殼液壓成形過(guò)程赤道帶起皺的難題，本文提出了雙母線橢球殼結(jié)構(gòu)作為液壓成形前預(yù)制殼體的液壓成形方法。通過(guò)理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)雙母線橢球殼液壓成形過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為此類扁橢球殼成形提供了理論指導(dǎo)。
　　通過(guò)對(duì)受內(nèi)壓橢球殼的力學(xué)分析，給出了軸

2、長(zhǎng)比λ>√2的橢球殼緯向應(yīng)力的拉壓分界角與軸長(zhǎng)比的定量關(guān)系。為了改變赤道帶應(yīng)力狀態(tài)，使緯向壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，提出用一段軸長(zhǎng)比1<λ<√2的橢球殼代替存在緯向壓應(yīng)力的赤道帶，形成了雙母線橢球殼結(jié)構(gòu)，從而避免赤道帶起皺缺陷。用無(wú)矩殼體理論解析了受內(nèi)壓雙母線橢球殼的應(yīng)力，給出了雙母線橢球殼不同位置發(fā)生屈服的內(nèi)壓和殼體整體屈服內(nèi)壓ps。
　　為了比較不同初始軸長(zhǎng)比雙母線橢球殼的軸長(zhǎng)變化規(guī)律，進(jìn)行了初始軸長(zhǎng)比為λ=1.5，λ=1.7和λ=2

3、.2的雙母線橢球殼液壓成形實(shí)驗(yàn)研究，證明赤道帶沒(méi)有發(fā)生起皺缺陷，獲得形狀符合要求的橢球殼體。獲得了殼體軸長(zhǎng)隨內(nèi)壓的變化規(guī)律，短軸（旋轉(zhuǎn)軸）隨內(nèi)壓升高而顯著伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率隨內(nèi)壓呈線性單調(diào)增加，初始軸長(zhǎng)比越大，短軸的伸長(zhǎng)率也越大；長(zhǎng)軸（赤道軸）隨內(nèi)壓的升高而輕微收縮。當(dāng)達(dá)到成形內(nèi)壓1.5ps時(shí)，短軸伸長(zhǎng)率分別為26.5％，31.8%和68.1%，長(zhǎng)軸收縮率分別為1.3%，1.9%和2.7%。
　　通過(guò)成形過(guò)程應(yīng)變測(cè)試和理論計(jì)算，繪制了雙

4、母線橢球殼上典型點(diǎn)在屈服橢圓上的應(yīng)力軌跡，并確定殼體的整體屈服內(nèi)壓ps的數(shù)值為3.0MPa。通過(guò)分析殼體母線方程的變化規(guī)律，確定了雙母線橢球殼向單母線橢球殼轉(zhuǎn)變的的臨界內(nèi)壓，給出了分界角處曲率半徑隨內(nèi)壓的變化規(guī)律，第一段橢球殼（軸長(zhǎng)比λ>√2）的曲率半徑隨內(nèi)壓的升高而下降，第二段橢球殼（軸長(zhǎng)比λ>√2）的曲率半徑隨內(nèi)壓的升高而先升高后下降，當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到臨界值1.1ps時(shí)，兩段橢球殼的曲率半徑一致，實(shí)現(xiàn)從雙母線向單母線的轉(zhuǎn)變。
　　為

5、了采用流體體積注入量控制最終橢球殼體形狀，建立了橢球殼液體注入量與軸長(zhǎng)比的數(shù)學(xué)模型，并給出了雙母線橢球殼體積變化率與內(nèi)壓和軸長(zhǎng)比的定量關(guān)系。體積變化率隨著內(nèi)壓的增大呈指數(shù)規(guī)律升高，內(nèi)壓越高，體積變化率越快；但相同內(nèi)壓下，初始軸長(zhǎng)比越大，體積變化率越大，當(dāng)達(dá)到成形內(nèi)壓1.5ps時(shí)，體積變化率分別為16.6%，26.1%和41.0%。通過(guò)成形過(guò)程對(duì)不同區(qū)域壁厚的測(cè)量，給出壁厚的變化規(guī)律。殼體壁厚的最大減薄位于極點(diǎn)，最小減薄位于赤道帶側(cè)瓣中點(diǎn)

6、，分界角附近的減薄介于極帶和赤道帶之間；三個(gè)殼體的最大減薄率分別為10.4%，16.3%和21.0%。
　　為了根據(jù)目標(biāo)殼體軸長(zhǎng)比反求雙母線橢球殼初始軸長(zhǎng)比，并設(shè)計(jì)合理的預(yù)制殼結(jié)構(gòu)，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)方法，建立目標(biāo)軸長(zhǎng)與雙母線橢球殼體預(yù)制結(jié)構(gòu)參數(shù)及成形壓力之間的響應(yīng)面模型。對(duì)于目標(biāo)軸長(zhǎng)比λ=1.5的殼體，優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得初始軸長(zhǎng)比λ=2.0~2.2。逆向設(shè)計(jì)獲得雙母線橢球殼液壓成形前預(yù)制殼結(jié)構(gòu)和軸長(zhǎng)比與實(shí)驗(yàn)吻合良好

7、，軸長(zhǎng)預(yù)測(cè)偏差不超過(guò)1%。
　　通過(guò)數(shù)值模擬，給出雙母線橢球殼液壓成形過(guò)程殼體的應(yīng)力分布規(guī)律，揭示了雙母線橢球殼液壓成形過(guò)程赤道帶不發(fā)生起皺的機(jī)理。赤道帶側(cè)瓣中心在變形過(guò)程中緯向一直受拉應(yīng)力作用，焊縫在變形初始階段存在緯向壓應(yīng)力，隨著內(nèi)壓的升高轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，壓應(yīng)力產(chǎn)生的原因是多面殼體二面角展開(kāi)過(guò)程存在彎曲效應(yīng)，在殼體外表面帶來(lái)附加壓應(yīng)力，但不足以引起失穩(wěn)起皺。結(jié)果表明：通過(guò)設(shè)計(jì)雙母線橢球殼結(jié)構(gòu)作為液壓成形前預(yù)制殼體，改變了初始軸長(zhǎng)比

8、λ>√2橢球赤道帶緯向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，避免了赤道帶的失穩(wěn)起皺。
　　通過(guò)數(shù)值模擬，研究雙母線橢球殼液壓成形過(guò)程中塑性變形的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律。結(jié)果表明：雙母線橢球殼的分界角最先發(fā)生塑性變形，引起該處兩段殼體的曲率半徑發(fā)生變化直至最后趨于一致；隨后極板發(fā)生塑性變形，并向赤道帶方向拓展，極帶是塑性變形最劇烈區(qū)域；赤道面最后發(fā)生塑性變形，且塑性變形量最小；與焊縫附近相比，側(cè)瓣中心線更容易發(fā)生塑性變形。
　　初始軸長(zhǎng)比λ<1的長(zhǎng)橢球適用

9、于易揮發(fā)液體的儲(chǔ)存容器，因?yàn)樵谙嗤暥葧r(shí)，長(zhǎng)橢球殼封口的橫截面積更小。為解決長(zhǎng)橢球殼液壓成形過(guò)程中極帶不變形的難題，提出雙母線長(zhǎng)橢球殼結(jié)構(gòu)作為液壓成形前預(yù)制殼體，有效降低了極帶屈服內(nèi)壓，使殼體各處同時(shí)變形。進(jìn)行初始軸長(zhǎng)比λ=0.7的雙母線長(zhǎng)橢球殼液壓成形實(shí)驗(yàn)研究，獲得形狀符合設(shè)計(jì)要求的長(zhǎng)橢球殼體。得到了變形過(guò)程軸長(zhǎng)、體積和壁厚隨內(nèi)壓的變化規(guī)律。長(zhǎng)軸（旋轉(zhuǎn)軸）和短軸（赤道軸）隨內(nèi)壓增加均略有增加，短軸的伸長(zhǎng)率大于長(zhǎng)軸；體積變化率隨著內(nèi)壓的