[發(fā)明專利]一種基于液體體積加載的橢球殼軸長尺寸控制方法及系統(tǒng)

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• 申請日: 2019-11-04
• 公開（公告）號: CN110743956A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 苑世劍;崔曉磊
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B21D26/02
• 分類號: B21D26/02;B21D51/08
• 代理公司: 11569 北京高沃律師事務(wù)所
• 代理人: 劉鳳玲

本發(fā)明公開了一種基于液體體積加載的橢球殼軸長尺寸控制方法及系統(tǒng)。該方法包括：確定成形前預(yù)制殼體的體積計算模型以及成形后橢球殼體的體積計算模型；基于此，確定成形前預(yù)制殼體與成形后橢球殼體的體積差計算模型；根據(jù)成形后橢球殼體的目標(biāo)軸長尺寸，確定成形前預(yù)制殼體的結(jié)構(gòu)尺寸；將成形后橢球殼體的目標(biāo)軸長尺寸以及成形前預(yù)制殼體的結(jié)構(gòu)尺寸代入體積差計算模型，得到成形后橢球殼體與成形前預(yù)制殼體的體積差，記為目標(biāo)體積量；向成形前預(yù)制殼體中注入體積為目標(biāo)體積量的液體，以獲取成形后的橢球殼體。本發(fā)明的成形工藝簡單，容易實施，成形時不需要考慮材料及壁厚差異，殼體軸長尺寸精度可控可調(diào)，適合于現(xiàn)場制造大尺寸橢球容器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及橢球容器制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于液體體積加載的橢球殼軸長尺寸控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

橢球容器在石油化工、給水工程、壓力容器和建筑裝飾等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是軸長比λ(長軸與短軸長度之比)大于的扁橢球，由于具有重心低、承受風(fēng)載小以及外形美觀等優(yōu)點，是大型水塔水箱的理想結(jié)構(gòu)。此外，在航天領(lǐng)域，運(yùn)載火箭燃料貯箱的箱底通常采用扁橢球結(jié)構(gòu)，具有有效節(jié)約空間和結(jié)構(gòu)承載性能高等優(yōu)點。

橢球容器傳統(tǒng)的成形制造方法是殼板分塊模壓再焊接成整球，由于該方法需要大型模具和壓力機(jī)，制造成本較高，而且一旦產(chǎn)品的直徑與壁厚發(fā)生變化，又需重新制造模具，因此對產(chǎn)品變更的適應(yīng)性差。對于大型橢球容器而言，還需要多套模具才能滿足要求，這使得橢球容器的制造成本過高、周期過長。

為了解決橢球容器制造存在的難題，提出并發(fā)展了橢球容器的整體無模液壓成形方法。橢球殼由于各處曲率不同，液壓成形時各處應(yīng)力狀態(tài)不同，并非簡單的脹形變形。研究表明，橢球容器能否順利成形與其軸長比λ有著密不可分的關(guān)系，對于軸長比的橢球殼液壓成形(λ＝1為球形容器)，可以順利成形出合格產(chǎn)品；而對于軸長比的橢球殼，在內(nèi)壓作用下，由于赤道帶附近受緯向壓應(yīng)力作用，成形過程中發(fā)生失穩(wěn)起皺，無法成形出合格產(chǎn)品。針對軸長比的橢球容器液壓成形過程中赤道帶發(fā)生失穩(wěn)起皺的難題，提出雙軸長比橢球容器液壓成形方法(專利號：ZL201310628487.3)。其基本思想是：橢球容器液壓成形前預(yù)制殼設(shè)計為雙軸長比結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)生環(huán)向失穩(wěn)起皺的赤道線與拉壓分界角之間區(qū)域用一段軸長比為的橢球殼進(jìn)行代替，另一段橢球殼軸長比從而保證內(nèi)壓作用下雙軸長比橢球容器整體緯向不受壓應(yīng)力作用。隨著內(nèi)壓的增加，雙軸長比預(yù)制殼體逐漸發(fā)生塑性變形，短軸隨內(nèi)壓增加顯著伸長，長軸隨內(nèi)壓增加僅發(fā)生輕微收縮，最后當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到一定值(一般為1.0-1.1p_s，p_s為屈服內(nèi)壓)時兩段橢球殼的曲率半徑變?yōu)橐粯樱尚纬鲚S長比的橢球容器。隨著內(nèi)壓的繼續(xù)增加，橢球容器的軸長比λ逐漸減小。

在無模液壓成形中殼體處于無外部約束的狀態(tài)，因此，如何控制殼體曲率半徑精度是殼體無模液壓成形的關(guān)鍵。如上所述，目前主要通過壓力加載的方式進(jìn)行控制。對于球形容器，可采用成形壓力與直徑的定量關(guān)系模型(成形壓力其中p為成形壓力，t為壁厚，d為球形容器直徑，σ_s為容器材料屈服強(qiáng)度)，通過控制成形壓力調(diào)控殼體直徑。然而，在軸長比的橢球殼液壓成形中，由于橢球殼各處曲率半徑不同，兩極部位先發(fā)生變形，隨后殼體高緯度區(qū)域發(fā)生變形并逐漸擴(kuò)展到赤道區(qū)域，赤道區(qū)域最后發(fā)生變形。而對于雙軸長比橢球殼液壓成形，變形過程更加復(fù)雜。因此，無法通過壓力加載的方法控制橢球殼長軸和短軸尺寸精度。對于軸長比的某一尺寸目標(biāo)橢球容器，無法事先確定所用雙軸長比橢球預(yù)制殼體的具體尺寸，以及在多高的內(nèi)壓作用下可獲得目標(biāo)尺寸橢球容器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于液體體積加載的橢球殼軸長尺寸控制方法及系統(tǒng)，使橢球容器的成形工藝簡單，容易實施，成形時不需要考慮材料及壁厚差異，殼體軸長尺寸精度可控可調(diào)，適合于現(xiàn)場制造大尺寸橢球容器。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于液體體積加載的橢球殼軸長尺寸控制方法，包括：