机械工程学报：双母线椭球壳液压胀形过程应力与变形分析
2023-07-08【作 者】张伟玮;苑世剑
【前 言】
椭球壳具有重心低、容积大和受风面积小的特点，适合作为大型水塔结构[1-2]。图 1 为理想椭球壳结构，其中 a 为长轴，b 为短轴，椭球轴长比定义为λ= a / b 。传统的椭球壳成形工艺为模压成形，该工艺需要多套成形模具，制造周期长且成本高。无模液压成形技术的提出则为椭球壳的成形提供一个新的思路[3-4]。椭球壳无模液压成形过程，先由平板或经过辊弯的单曲率壳板组焊成封闭多面壳体，然后在封闭多面壳体充满液体介质并施加压力，在内部压力作用下，壳体产生塑性变形而逐渐趋向于设计形状[5-7]。
为了研究双母线椭球壳胀形过程中应力与变形的特点，本文进行了初始轴长比分别 λ=1.7 和λ=1.5 的双母线椭球壳无模液压成形试验研究和数值模拟。分析了壳体胀形过程中壳体不同位置应力状态的变化规律，揭示了起皱抑制的机理。给出了壳体塑性变形发展规律和壁厚分布规律，揭示了变形特点。最终获得合乎设计要求的椭壳。
【结 论】
采用双母线椭球壳结构作为胀形前预制壳体，可以有效避免初始轴长比 λ >√2 ￣ 的椭球壳在胀形过程赤道带起皱的缺陷。通过数值模拟和试验研究分析了初始轴长比 λ=1.5 和 λ=1.7 双母线椭球壳液压胀形过程的应力与变形特点，得到以下结论。
(1) 给出受内压双母线椭球壳的应力分布规律，揭示了双母线椭球壳无模胀形避免起皱的机理。在变形过程中，赤道带板料一致承受纬向拉应力作用，随着内压升高，初始预制多面壳体结构逐渐变为理想椭球壳体；但是赤道带焊缝处在变形初始阶段存在纬向压应力，产生的原因是焊缝处多面壳体二面角展开过程存在弯曲效应，在焊缝外表面带来附加压应力，该压应力不足以引起失稳起皱。
(2) 揭示了双母线椭球壳胀形过程中塑性变形发展趋势及壁厚变化规律。双母线椭球壳的极板先发生塑性变形，短轴开始显著伸长，极带是变形最剧烈的区域；赤道线最后发生塑性变形，变形量也最小；在壳体的纬向，侧瓣中心线比焊缝线更容易发生塑性变形。壁厚的最大减薄位于极点，最小减薄位于赤道带侧瓣中点，分界线附近的减薄介于极带和赤道带之间；两个壳体的最大减薄率分别为4.6%和 8.9%。
以下是正文：
