機械工程學報：雙母線橢球殼液壓脹形過程應(yīng)力與變形分析
2023-07-08【作 者】張偉瑋;苑世劍
【前 言】
橢球殼具有重心低、容積大和受風面積小的特點，適合作為大型水塔結(jié)構(gòu)[1-2]。圖 1 為理想橢球殼結(jié)構(gòu)，其中 a 為長軸，b 為短軸，橢球軸長比定義為λ= a / b 。傳統(tǒng)的橢球殼成形工藝為模壓成形，該工藝需要多套成形模具，制造周期長且成本高。無模液壓成形技術(shù)的提出則為橢球殼的成形提供一個新的思路[3-4]。橢球殼無模液壓成形過程，先由平板或經(jīng)過輥彎的單曲率殼板組焊成封閉多面殼體，然后在封閉多面殼體充滿液體介質(zhì)并施加壓力，在內(nèi)部壓力作用下，殼體產(chǎn)生塑性變形而逐漸趨向于設(shè)計形狀[5-7]。
為了研究雙母線橢球殼脹形過程中應(yīng)力與變形的特點，本文進行了初始軸長比分別 λ=1.7 和λ=1.5 的雙母線橢球殼無模液壓成形試驗研究和數(shù)值模擬。分析了殼體脹形過程中殼體不同位置應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律，揭示了起皺抑制的機理。給出了殼體塑性變形發(fā)展規(guī)律和壁厚分布規(guī)律，揭示了變形特點。最終獲得合乎設(shè)計要求的橢殼。
【結(jié) 論】
采用雙母線橢球殼結(jié)構(gòu)作為脹形前預(yù)制殼體，可以有效避免初始軸長比 λ >√2 ￣ 的橢球殼在脹形過程赤道帶起皺的缺陷。通過數(shù)值模擬和試驗研究分析了初始軸長比 λ=1.5 和 λ=1.7 雙母線橢球殼液壓脹形過程的應(yīng)力與變形特點，得到以下結(jié)論。
(1) 給出受內(nèi)壓雙母線橢球殼的應(yīng)力分布規(guī)律，揭示了雙母線橢球殼無模脹形避免起皺的機理。在變形過程中，赤道帶板料一致承受緯向拉應(yīng)力作用，隨著內(nèi)壓升高，初始預(yù)制多面殼體結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)槔硐霗E球殼體；但是赤道帶焊縫處在變形初始階段存在緯向壓應(yīng)力，產(chǎn)生的原因是焊縫處多面殼體二面角展開過程存在彎曲效應(yīng)，在焊縫外表面帶來附加壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力不足以引起失穩(wěn)起皺。
(2) 揭示了雙母線橢球殼脹形過程中塑性變形發(fā)展趨勢及壁厚變化規(guī)律。雙母線橢球殼的極板先發(fā)生塑性變形，短軸開始顯著伸長，極帶是變形最劇烈的區(qū)域；赤道線最后發(fā)生塑性變形，變形量也最??；在殼體的緯向，側(cè)瓣中心線比焊縫線更容易發(fā)生塑性變形。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，分界線附近的減薄介于極帶和赤道帶之間；兩個殼體的最大減薄率分別為4.6%和 8.9%。
以下是正文：
