本文選題：橢球殼 + 長橢球殼　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：橢球殼體具有重心低和受風(fēng)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(jié)構(gòu)。軸長比λ2~(1/2)的扁橢球殼液壓成形過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(jié)構(gòu)作為液壓成形前預(yù)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(dǎo)。通過對受內(nèi)壓橢球殼的力學(xué)分析,給出了軸長比λ2~(1/2)的橢球殼緯向應(yīng)力的拉壓分界角與軸長比的定量關(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,提出用一段軸長比1λ2~(1/2)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sp。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=2.2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(zhuǎn)軸)隨內(nèi)壓升高而顯著伸長,伸長率隨內(nèi)壓呈線性單調(diào)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1.5sp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(yīng)變測試和理論計算,繪制了雙母線橢球殼上典型點在屈服橢圓上的應(yīng)力軌跡,并確定殼體的整體屈服內(nèi)壓sp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(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(軸長比λ2~(1/2))的曲率半徑隨內(nèi)壓的升高而下降,第二段橢球殼(軸長比λ2~(1/2))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1.1sp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(zhuǎn)變。為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(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,初始軸長比越大,體積變化率越大,當達到成形內(nèi)壓1.5sp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(cè)瓣中點,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(shè)計合理的預(yù)制殼結(jié)構(gòu),采用Box-Behnken中心組合設(shè)計方法,建立目標軸長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。對于目標軸長比λ=1.5的殼體,優(yōu)化設(shè)計獲得初始軸長比λ=2.0~2.2。逆向設(shè)計獲得雙母線橢球殼液壓成形前預(yù)制殼結(jié)構(gòu)和軸長比與實驗吻合良好,軸長預(yù)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(yīng)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(cè)瓣中心在變形過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過程存在彎曲效應(yīng),在殼體外表面帶來附加壓應(yīng)力,但不足以引起失穩(wěn)起皺。結(jié)果表明:通過設(shè)計雙母線橢球殼結(jié)構(gòu)作為液壓成形前預(yù)制殼體,改變了初始軸長比λ2~(1/2)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(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。初始軸長比λ1的長橢球適用于易揮發(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(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(shè)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(zhuǎn)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)壓的升高略有增加;赤道帶是變形量最大的區(qū)域,減薄最嚴重。當成形內(nèi)壓為5.5MPa時,長軸和短軸變化率分別為2.1%和8.7%,體積變化率為7.3%,最大減薄率為12.7%。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG394

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本文編號：1744471