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面積小等優(yōu)點，適合用做大型水塔及運載火箭貯箱箱底等結構。軸長比λ>√2的扁橢球殼液壓成形過程中赤道帶存在緯向壓應力,導致殼體失穩(wěn)起皺而無法成形。為解決此類扁橢球殼液壓成形過程赤道帶起皺的難題，本文提出了雙母線橢球殼結構作為液壓成形前預制殼體的液壓成形方法。通過理論研究、數(shù)值模擬和實驗研究，對雙母線橢球殼液壓成形過程進行系統(tǒng)的研究，為此類扁橢球殼成形提供了理論指導。
　　通過對受內(nèi)壓橢球殼的力學分析，給出了軸

2、長比λ>√2的橢球殼緯向應力的拉壓分界角與軸長比的定量關系。為了改變赤道帶應力狀態(tài)，使緯向壓應力變?yōu)槔瓚Γ岢鲇靡欢屋S長比1<λ<√2的橢球殼代替存在緯向壓應力的赤道帶，形成了雙母線橢球殼結構，從而避免赤道帶起皺缺陷。用無矩殼體理論解析了受內(nèi)壓雙母線橢球殼的應力，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比雙母線橢球殼的軸長變化規(guī)律，進行了初始軸長比為λ=1.5，λ=1.7和λ=2

3、.2的雙母線橢球殼液壓成形實驗研究，證明赤道帶沒有發(fā)生起皺缺陷，獲得形狀符合要求的橢球殼體。獲得了殼體軸長隨內(nèi)壓的變化規(guī)律，短軸（旋轉軸）隨內(nèi)壓升高而顯著伸長，伸長率隨內(nèi)壓呈線性單調增加，初始軸長比越大，短軸的伸長率也越大；長軸（赤道軸）隨內(nèi)壓的升高而輕微收縮。當達到成形內(nèi)壓1.5ps時，短軸伸長率分別為26.5％，31.8%和68.1%，長軸收縮率分別為1.3%，1.9%和2.7%。
　　通過成形過程應變測試和理論計算，繪制了雙

4、母線橢球殼上典型點在屈服橢圓上的應力軌跡，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（軸長比λ>√2）的曲率半徑隨內(nèi)壓的升高而先升高后下降，當內(nèi)壓達到臨界值1.1ps時，兩段橢球殼的曲率半徑一致，實現(xiàn)從雙母線向單母線的轉變。
　　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比的數(shù)學模型，并給出了雙母線橢球殼體積變化率與內(nèi)壓和軸長比的定量關系。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，初始軸長比越大，體積變化率越大，當達到成形內(nèi)壓1.5ps時，體積變化率分別為16.6%，26.1%和41.0%。通過成形過程對不同區(qū)域壁厚的測量，給出壁厚的變化規(guī)律。殼體壁厚的最大減薄位于極點，最小減薄位于赤道帶側瓣中點

6、，分界角附近的減薄介于極帶和赤道帶之間；三個殼體的最大減薄率分別為10.4%，16.3%和21.0%。
　　為了根據(jù)目標殼體軸長比反求雙母線橢球殼初始軸長比，并設計合理的預制殼結構，采用Box-Behnken中心組合設計方法，建立目標軸長與雙母線橢球殼體預制結構參數(shù)及成形壓力之間的響應面模型。對于目標軸長比λ=1.5的殼體，優(yōu)化設計獲得初始軸長比λ=2.0~2.2。逆向設計獲得雙母線橢球殼液壓成形前預制殼結構和軸長比與實驗吻合良好

7、，軸長預測偏差不超過1%。
　　通過數(shù)值模擬，給出雙母線橢球殼液壓成形過程殼體的應力分布規(guī)律，揭示了雙母線橢球殼液壓成形過程赤道帶不發(fā)生起皺的機理。赤道帶側瓣中心在變形過程中緯向一直受拉應力作用，焊縫在變形初始階段存在緯向壓應力，隨著內(nèi)壓的升高轉為拉應力，壓應力產(chǎn)生的原因是多面殼體二面角展開過程存在彎曲效應，在殼體外表面帶來附加壓應力，但不足以引起失穩(wěn)起皺。結果表明：通過設計雙母線橢球殼結構作為液壓成形前預制殼體，改變了初始軸長比

8、λ>√2橢球赤道帶緯向受壓的應力狀態(tài)，避免了赤道帶的失穩(wěn)起皺。
　　通過數(shù)值模擬，研究雙母線橢球殼液壓成形過程中塑性變形的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律。結果表明：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??；與焊縫附近相比，側瓣中心線更容易發(fā)生塑性變形。
　　初始軸長比λ<1的長橢球適用

9、于易揮發(fā)液體的儲存容器，因為在相同緯度時，長橢球殼封口的橫截面積更小。為解決長橢球殼液壓成形過程中極帶不變形的難題，提出雙母線長橢球殼結構作為液壓成形前預制殼體，有效降低了極帶屈服內(nèi)壓，使殼體各處同時變形。進行初始軸長比λ=0.7的雙母線長橢球殼液壓成形實驗研究，獲得形狀符合設計要求的長橢球殼體。得到了變形過程軸長、體積和壁厚隨內(nèi)壓的變化規(guī)律。長軸（旋轉軸）和短軸（赤道軸）隨內(nèi)壓增加均略有增加，短軸的伸長率大于長軸；體積變化率隨著內(nèi)壓的