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用中心管限位的椭球壳无模液压成形试验研究 胡蓝 。 滕步刚 ， 何祝斌 。 初冠南。 。 王仲仁 1 ． 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 ； 2 ． 哈尔滨工业大学 威海船 舶工程学院， 山东 威海2 6 4 2 0 9 摘要 理论与实践均证明， 长短轴比大于 的椭球壳体在 自由胀形时会在赤道附近起皱， 其原因是 由于存在纬向压应力。首次提 出采用带中心管约束法整体无模胀形技术， 对长短轴比为 2的椭球 壳体进行液压胀形试验研究， 得到 了椭球壳体胀形时应变分布及尺寸变化规律。试验结果表明 在 中心管约束下的椭球壳体胀形可以较好地控制椭球轴长比。椭球状壳体在胀形过程 中经历焊缝起 皱凸起， 后又在更高内压的作用下逐渐消皱的过程。塑性变形首先发生在赤道焊缝处， 随后球瓣靠 近南北极的部位也发生塑性变形， 并 由赤道和极板 向温带 区域扩展。用此方法所获得 的壳体可 以 直接用于椭球形水塔。 关键词 无模液压成形 ； 椭球 壳体 ； 起 皱； 经向应变； 纬向应变 中图分类号 T G 3 9 4； T Q 0 5 0 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 1 0 4- 0 0 0 1- 0 6 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 1 ． 04 ． 0 0 1 Re s e a r c h o n Di e l e s s Hy d r o b ul g e Fo r m i n g o f El l i ps o i d a l S he l l s wi t h Ce n t r a l Tub e Co n s t r a i n t HU La n ， TE NG B ug a n g ， HE Z h ub i n ， CHU Gu a nn a n ， W ANG Z h o n gr e n 1 ． S c h o o l o f Ma t e ri a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ，Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a； 2 ． S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e ， H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy a t We i h a i ， We i h a i 2 6 4 2 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s p r o v e d b y t h e o r y a n d p r a c t i c e t h a t t h e w rin k l e s a p p e a r a t e q u a t o r d u rin g h y d r o b u l g e f o r m i n g e l l i p s o i d al s h e l l i f t h e l e n g t h r a t i o o f l o n g a x i s t o s h o r t a x i s i s o v e r √ 2， d u e t o t h e l a t i t u d i n a l c o m p r e s s i o n s t r e s s e x i s t i n g a t t h e e q u a t o r ．Th e i n t e g r a l di e l e s s h y d r o b ul g e f o rm i n g e x pe rime n t u s i n g e l l i p s o i da l s h e l l s wi t h c e n t r a l t u b e c o n s t r a i n t i s s u g g e s t e d fir s t ． Th e l e ngth r a t i o o f l o n g a x i s t o s h o r t a x i s r e a c h e d 2 A2 ． T h e s t r a i n d i s t ri b u t i o n o f t h e o u t e r s u r f a c e s o f t h e s h e l l s d u ri n g b u l g i n g a n d s i z e v a ri a t i o n b e f o r e a n d a f t e r b u l g i n g w e r e me a s u r e d a n d a n a l y z e d ． T h e e x p e ri me n t r e s u l t s s h o w t h a t wi t h c e n t r a l t u b e c o n s t r a i n t ，t h e v a l ue o f e l l i ps o i d a l s h e l l c o u l d b e c o n t r o l l e d v a ryi n g i n a s ma l l r a n g e． Th e s h e l l s e x p e r i e n c e d wi n k l i n g a t e q u a t o r n e a r t h e we l d s e a m a n d fl a t t e n i n g o f wrin k l e s d u e t o t he e x p a ns i o n o f s he l l s a t h i g h e r p r e s s u r e ． Pl a s t i c d e f o rm a t i o n t o o k p l a c e fir s t a t e q u a t o r n e a r t h e we l d s e a m ，f o l l o we d b y t h e a r e a s n e a r b y t h e p o l e，a n d e x p a n d e d t o t e mp e r a t e z o n e ． T h e b u l g e d e l l i p s o i d a l s h e l l s o b t a i n e d b y t h i s me t h o d c a n be d i r e c t l y u s e d a s wa t e r t o we r ． Ke y wo r d s d i e l e s s h y d r o b u l g e f o rm i n g； e l l i p s o i d a l s h e l l s； wr i n kl i n g； l 0 n g i t u d e s t r a i n； l a t i t ud i n a l s t r a i n 基金项目 国家 自然科学基金资助项 目 5 9 9 7 5 0 2 2 ， 5 0 2 7 5 0 3 4 用 中 t7 管限位 的椭球壳无模液压成形试验研究 V o 1 2 8 ． N 0 4 2 O l 1 0 引言 椭球壳体具有重心低 、 受风力载荷面积小和 外形美观等优点 ， 已广泛用于大型高位水塔 、 化工 用储罐及建筑艺术品。但 由于椭球壳各处曲率不 是恒定的， 所以模压椭球壳 的瓣 片较压制球壳瓣 片要困难得多 ， 其成本更高， 周期更长 ， 工艺更为 复杂 。 相比之下 ， 壳体无模液压胀形技术不需要压 力机和模具 ， 自1 9 8 5年王仲仁教授发明此项技术 以来 ， 经过不断的研究和开发 ， 该技术已从球形壳 体的成形发展到非球形壳体的成形， 包括长短轴 A小于√ 2 的椭球液压胀形， 环壳及大型弯头液压 胀形等， 并在给水 、 压力容器及艺术装饰领域得到 广 泛应用 。 椭球壳各处曲率不同， 使得各处发生塑性变 形的顺序各异 ， 且与椭球轴长比有很大关系。研 究表明， 无约束下椭球胀形 ， 当 A大于 时， 塑性 变形首先发生于赤道 ， 然后是极板 ， 并由赤道和极 板向温带区域扩展_ 8 J 。与此同时， 短轴变长， 赤 道带起 皱如 图 1 所示 。 图 1 赤道带起皱示意 从力学分析角度看， 无约束椭球壳体液压胀 形时， 并不像球壳 自由胀形 ， 壳体沿经向、 纬向均 受拉应力 ， 图 2示 出椭球壳体受内压时的纬 向相 对应力 F变化曲线 图中 A为长短轴 比， 角 自 纵轴度量起 ， 9 O 。 对应于赤道带 ， 由图可见 ， 以椭 球轴长比 入 1 ． 4 1 4为界， A 时， 赤道纬 向应力即为压应力l 9 。随着 A的增加 ， 环 向压 应力迅速增加， 因此如何在 时能避免赤道 带起皱将是椭球壳胀形的关键。文中采用中心管 约束的方式 对长短轴 比 A2的椭球壳进行胀 形， 探讨在中心管约束下 ， 椭球壳体液压胀形应变 分布特点及尺寸变化规律。用此法所获得的大尺 寸壳体可以直接用于椭球形水塔 由带孔 的椭球 壳与中心立柱两部分组成 ， 也可以在切 除中心 管后， 补焊上小面积的弧板构成完整的椭球。 厘 i三 - 、 蚓 - 2． O 0 1 试 验研 究 图 2 纬向应 力分布 1 ． 1 胀形前壳体结构及试验材料 胀形前壳体的长轴 1 0 0 0 m m， 短轴 5 0 0 m m A 2 ， 试验中所用壳体结构有两种结构 一 是如图 3所示 ， 该壳体由 1 2块单 曲率板壳 和中心 圆管组焊而成 ， 单曲率板壳厚度 1 m m； 另一壳体是由同样厚度的 l 6块单曲率板壳 和中心圆管组焊而成 ， 长短轴尺寸 2个壳体相同， 中心管直径均为 2 1 9 m m， 厚度 8 m m。 单 曲率球 瓣中心圆筒 图3 带中心管椭球壳体初始结构 O 0 O 2 l - ． ◇ C P V T 用中心管限位的椭球壳无模液压成形试验研究 V o l 2 8 ． N o 4 2 O I 1 的长短轴 比难 以维持， 同时导致赤道焊缝附近起 皱。采用中心圆筒 ， 限制了两极板间的位移， 图 8 示出无中心管 自由胀形 见图 8 a 及有 中心管 胀形 图 8 b 时的受力简图。 a 自由胀形 一 i I i b 带中心管胀形 图8 椭球壳体 自由胀形与带中心管胀形受力对比 2 ． 2 椭球壳体不同部位在胀形过程 中的应 变分 布 图 1 01 2示出了壳体各变形区典型点的应 变测量结果。试验中应变仪的最大量程为 0 ． 0 2 ， 较高压力下有些点的应变数值超过量程而不能显 示其具体数值， 但并不影响讨论塑性变形开始次 序及典型点所处的应变状态类型。 由图 8可看 出， 中心管的作用不仅是参与 了 轴向力的平衡， 更主要的是限制了短轴的伸长， 从 而改变由此而引起赤道带的显著收缩， 因而可实 现随着压力升高而将初期形成的皱褶 打开 ， 即消 。 除皱褶。可以看 出， 椭球胀形后由于限制了其南 北极的位移 ， 在趋球效应的作用下， 原来壳体的横 截面将由多边形变为圆。相应的， 在保持周长不 一 0 变的前提下 ， 多边形的顶点将会略有内移 ， 即长轴 缩短 ， 如图 9所示 ， 为了简明起见 ， 图中仅画出八 边形及与之等周长的圆， 显然 ， 圆的直径略小于多 一 0 边形两相对的顶点之间距离， 经测量 ， 胀形后椭球 长轴的收缩率为 3 ％。 4 图9 由多边形变为等周长的圆 内压／ MP a a 经 向应变 0 ． 6 内压， MP a b 纬 向应变 图 l O 赤道处典型点 的应变变化曲线 沿赤道典型点经向和纬 向应变如图 1 0所示。 从图中可知赤道上 3点均为拉一压状态 ， 经向为 拉应变， 纬向均为压应变。当内压达到 0 ． 4 M P a 时， 靠近焊缝的 G点应变绝对值迅速增加， 此时 椭球 表现 为 在 焊缝 处起 皱。 当 内压 达 到 0 ． 8 MP a ， D点经向和纬向应变绝对值也迅速增加 ， 材 料发生明显屈服； 当内压继续增加到 1 M P a ， E点 应变的数值也增加很快。说明椭球胀形过程赤道 第 2 8 卷第 4期 压 力 容 器 总第 2 2 1 期 0． 0 0 0 O． Ol 5 O ． Ol O 0 ． 0 0 0 j l 内压／ MP a a 经 向应变 内压／ MP a b 纬向应变 图 1 1 焊缝附近典型点的应变变化曲线 处先开始塑性变形 ， 而且近焊缝处首先发生变形 ， 随后向球瓣 中心处扩展。C， D， E三点均为明显 的拉伸变形 。 焊缝附近典型点经向和纬 向应变如图 1 1 所 示 。文献[ 9 ] 研究表明， 当 A 时 ， 塑性变形首 先发生于赤道 ， 然后是极板 ， 并由赤道和极板 向温 带区域扩展 。故赤道 焊缝附近 C点超 前于 A ， 点发生塑性变形 ； 而 点 由于靠近极板 ， 也较早 发生屈服 ； B点 最后发 生塑性变形 ， 内压为 1 ． 2 MP a时， 其纬向和经 向应变变化量很小 。从 图中 可看 出， A点为双 向拉伸 ； C点经 向为拉应变 ， 而 纬向为压应变 ； B点 纬向应变变 化较小 ， 近似为 0 ， 以 B点为分界 ， 靠 近赤道一侧 为压应变 ， 另一 侧为拉应变。 o． 0 20 O ． Ol 5 骰 o． o oo 内脚 MP a a 经 向应变 O ． 0 O ． 6 1 ． 2 内肘 MP a b 纬向应变 图 l 2 过球瓣中心母线上典型点的应变变化曲线 过球瓣中心母线上典型点经向和纬向应变如 图 l 2所示。从 图中可看出 G点为双向拉伸， 而赤 道处 点则处于经 向受拉 ， 纬向受压状态 ， 点纬 向应变变化较小， 近似为 0 ， 以 F点 为分界， 靠近 赤道一侧为压应变 ， 另一侧为拉应变。与 B点一 起 ， 近似构成一 圈纬 向应变分界 圆。图 1 2 b 示 出 ， Ⅳ点虽然更靠近极点 ， 由于 中心管的约束作 用， 其纬向应变小于 G点 ， G点所在纬度的壳体膨 胀量较 大 。 3 结 论 对带中心管约束椭球壳体在 内压作用下的变 形进行了试验研究， 得到如下结论 1 中心管约束下 的椭球壳体胀形改变了壳 体的受力状态， 中心管的作用不仅是参与了轴向 5 O O l 2 O O 0 O 一 一 C P V T 用中心管限位的椭球壳无模液压成形试验研究 V o I 2 8 ． N o 4 2 0 l 1 力的平衡 ， 更主要的是限制了短轴的伸长 ， 从而改 变了由此而引起 的赤道带 的显著收缩， 因而可实 现随着压力升高可将初期形成的皱褶打开。 2 中心管约束下的椭球壳体胀形可以较好 地控制椭球轴长比基本不变 ， 在趋球效应的作用 下 ， 原来壳体的横截面将 由多边形变为圆。相应 的， 在保持周长不变 的前提下多边形 的顶点将会 略有内移 ， 即长轴缩短 ， 内压达到 2 MP a时 ， 长轴 缩短量只有 3 ％。 3 压力升高到 0 ． 4 M P a时 ， 赤道焊缝开始 出现起皱， 与此 同时， 靠近极板处的球瓣 区域 ， 由 于曲率较小 ， 较早开始屈服， 向外膨胀。内压达到 1 ． 0 MP a时 ， 赤道焊缝起 皱最为严重 ， 当内压达 2 ． 0 MP a时， 由于壳体膨胀将原先 的起皱展平。 4 赤道上 3点均为拉一压状态 ， 焊缝 附近 首先发生变形 ， 随后 向球瓣 中心处扩展。焊缝附 近 A点为双拉应力状态 ， 赤道 附近则为拉一压应 力状态 ， 易满足屈服准则 ， 故其最先发生塑性变 形； 而处于温带 的 点较晚发生塑性变形 ， 内压 为 1 ． 2 M P a时， 其纬向和经向应变变化量很小； 它 与 F点一起， 构成 了纬向应变分界 圆， 靠 近极板 一 侧为拉应变 ， 反之为压应变。 致谢 本项 目得到国家 自然科学基金支持， 在试验 阶段得到袁树新高级工程师、 苗启斌工程师、 博士生胡志 力等大力协助， 在此表示衷心感谢。 参考文献 [ 2 ] 张士宏， 曾元松， 王仲仁， 等．扁球壳体的整体无模 成形[ J ] ． 塑性工程学报， 1 9 9 5 ， 2 1 2 6 3 5 ． 王仲仁， 苑世剑， 曾元松， 等．无模胀球的原理与研 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 究进展[ J ] ．机械工程学报， 1 9 9 9， 3 5 4 6 4 6 6 ． 滕步刚， 王长文， 王仲仁．薄壁半球件无模液压胀 形的实验研究[ J ] ．压力容器， 2 0 0 3 ， 2 0 5 2 3 2 5． 张琦， 刘强 ， 谢文才， 等．足球状封闭壳体无模液压 胀球过程的数值模拟及实验研究[ J ] ．锻压技术， 2 0 1 0， 3 5 _3 8 48 8 ． Yu a n S J ， Z e n g Y S，Wa n g Z R．T h e I n t e g r a l Hy d o r b u l n g F o r m i n g o f E l l i p s o i d a l S h e l l s [ C ] ． P r o c ． o f t h e 5 t h I C T P，C o l u mb u s ，Oh i o，US A，1 9 9 6 9 4 39 4 6． Z e n g Y S ，Wa n g Z R，Y u a n S J ．Th e N u me r i c al S i m- u l a t i o n of t h e I n t e gral Hy d r o b u l g i n g o f E l l i p s o i d a l S h e l l s [ J ] ．J o u rna l of Ma t e r i al s P r o c e s s i n g T e e h n o l o g Y ，1 9 9 7 ， 7 2 3 3 5 8 3 6 2 ． 滕步刚， 苑世剑 ， 王仲仁．环壳初始结构对其液压 胀形过程的影响[ J ] ．压力容器， 2 0 0 0 ，1 7 1 1 3 1 6． Z e n g Y S，Yu an S J ，Wa n g F Z，e t a1．R e s e a r c h o n t h e I n t e gral Hy d r o b u l g e F o rm i n g of El l i p s o i d a l S h e l l s [ J ] ．J o u rna l o f Ma t e r i al P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 1 99 7，7 2 2 83 1． 王仲仁， 曾元松．内压椭球壳塑性变形的发生部位 与扩展过程分析 [ J ] ．固体力学学报，1 9 9 8 ，1 9 1 8 58 8 ． 王仲仁， 曾元松， 苑世剑 ， 等．椭球壳体液压成形 的塑性变形规 律的研究 [ J ] ．固体力学学报， 1 9 9 8 ， 3 2 5 9 2 6 4 ． 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 2 5 修稿 日期 2 0 1 l 一 0 3一l l 作者简介 胡蓝 1 9 8 4一 ， 男 ， 博士研究生， 主要从事液力 成形方面的研究， 通信地址 1 5 0 0 0 1黑龙江省哈尔滨市南 岗区哈尔滨工业大学4 3 5信箱， Em a i l h i t h l i n s n ． t o m。 欢迎订阅 2 0 1 1 年度 流体机械 杂志 流体机械 杂志是经国家新闻出版署批准的中央级技术刊物， 中国机械和仪表类核心期刊， 国内外公开发行， 月 刊， 大 1 6开 8 8页， 每期定价 8 ． O 0元 ， 全年定价9 6元。邮局征订代号2 61 2 9 。 主办单位 中国机械工程学会 承办单位 中国机械工程学会流体工程分会、 中国制冷学会第二专业委员会、 合肥通用机械研究院 报道范围 压缩机、 风机、 泵、 阀门与管道、 分离机械、 流体密封、 喷射设备、 制冷机械 包括空调、 冰箱 。 栏目设置 试验研究、 设计计算、 产品开发、 制造工艺、 故障分析、 运行监测、 技术综述、 经验交流、 信息报道等。 读者对象 从事流体机械与化工通用机械工作的工程技术人员、 大专院校师生以及生产使用单位的高级技工。 逾期订阅请向安徽省合肥市高新区天湖路 2 9号 合肥通用机械研究院 流体机械杂志社索取订单。邮编 2 3 0 0 8 8 ， 电话 0 5 5 1 5 3 3 5 4 5 7 ， 传真 0 5 5 1 5 3 3 5 4 5 3 ， 电子信箱 l tj x e h i n a p v t ． e o m， 网址 l t j x ． c h i n a j o u r n a1． n e t ． e n 。 6