一种圆柱形正弦波纹环肋耐压壳

摘要

本发明提供一种圆柱形正弦波纹环肋耐压壳。所述圆柱形正弦波纹环肋耐压壳的内表面沿轴向设置有正弦波纹环肋结构，所述正弦波纹环肋结构符合正弦函数y＝a·sin(2πx/T)的波纹形貌，a表示所述正弦函数幅值，T表示所述正弦函数的周期。本发明的技术方案解决了现有技术中的环肋焊接产生残余应力以及焊接工艺繁琐的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及耐压壳技术领域，具体而言，尤其涉及一种圆柱形正弦波纹环肋耐压壳。

背景技术

圆柱形耐压壳具有空间利用率高、便于生产加工等特点，被广泛应用于潜航器、存储罐以及各种工程结构中，普通圆柱形耐压壳在直径、高度和外压力不大的条件下，其稳定性可通过调整壳体厚度来保证，但随着普通圆柱形耐压壳的应用逐渐广泛，对直径、高度和外压力的需求逐渐增大，则需要在壳体内部焊接环肋并增加筒节厚度来提升抗压性能，环肋的形状一般是矩形、三角形、圆柱形、T形等，通过调整环肋的间距和形状尺寸等参数可有效提升普通圆柱形耐压壳的稳定性。

目前，环肋与普通圆柱形耐压壳的连接方式大多还是通过焊接技术实现的，但焊接环肋的工序繁琐耗时，还会增加耐压壳的整体重量，在焊接后焊缝处存在残余应力和变形，虽可通过特殊手段消除残余应力和变形，但仍有差距，在承受压力时，相邻环肋间的壳体容易出现屈曲凹陷，严重影响耐压壳的使用寿命。

发明内容

根据上述提出焊接环肋存在残余应力和焊接工艺繁琐的技术问题，而提供一种圆柱形正弦波纹环肋耐压壳。本发明主要利用一体化轧制技术加工出具有正弦波纹环肋结构的圆柱形耐压壳，不仅具有优异的抗压性能和稳定性，还能避免出现焊接的残余应力，简化加工工艺，同时达到轻量化减重的效果。

本发明采用的技术手段如下：

本发明提供一种圆柱形正弦波纹环肋耐压壳，所述圆柱形正弦波纹环肋耐压壳的内表面沿轴向设置有正弦波纹环肋结构，所述正弦波纹环肋结构符合正弦函数y＝a·sin(2πx/T)的波纹形貌，a表示所述正弦函数幅值，T表示所述正弦函数的周期。

进一步地，某一位置的壳体厚度d

进一步地，所述圆柱形正弦波纹环肋耐压壳为通过筒节轧制设备进行连续轧制得到的一体化结构。

所述圆柱形正弦波纹环肋耐压壳的轧制加工方法包括以下步骤：

S1、预压下：波纹芯辊首先进给一段较小的距离，该距离设置为波纹形貌的高度h，轧制系统开始运转，待整个轧制系统逐渐稳定后，波纹芯辊再开始向预定的轧制位置进给；

S2、轧制：首先使波纹成形，然后轧制到目标厚度；轧制开始后，波纹芯辊的波纹中各个波峰与筒节接触，随着波纹芯辊的进给，波纹芯辊的波纹曲线与筒节内壁在沿筒节轴向接触长度逐渐加大，即轴向上由点接触逐渐变为完整的线接触，直到波纹芯辊的波纹形貌各个波谷位置与筒节表面接触，此后筒节和波纹芯辊位置关系保持不变，波纹芯辊停止进给，驱动辊继续旋转，保持波纹芯辊的波纹与筒节波纹基本贴合，直至在筒节的整个周向形成完整的波纹形貌；

波纹芯辊表面完全接触筒节的时间为：

t

式中：h为波峰位置到波谷位置的垂直距离；v

t

t

式中：R为筒节外径；n为t

波纹成形阶段所需最小时间即为两者之和：

S3、圆整：当筒节在圆周方向形成完整的波纹形貌后，波纹芯辊不再继续进给，筒节与波纹芯辊接触的波纹轧制位置截面波纹轮廓不再发生变化，截面的宽度变小。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的一种圆柱形正弦波纹环肋耐压壳，通过轧机连续轧制制成一体化圆柱形正弦波纹环肋耐压壳，具有良好的抗压性能和稳定性，延长了使用寿命，还避免了焊接工序产生的残余应力、简化了生产工序，而且圆柱形波纹环肋耐压壳的一体化结构可达到轻量化减重的效果。

2、本发明提供的一种圆柱形正弦波纹环肋耐压壳，其外表面平整光滑不做加工，在外压工况下，表面可更均匀的受压，也便于与其他部件配合装配，用于更加广泛。

综上，应用本发明的技术方案轧制圆柱形正弦波纹环肋耐压壳不仅具有良好的抗压能力和稳定性，还避免了焊接残余应力和焊接工序，使生产工艺简化。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中的环肋焊接存在残余应力和加工工艺繁琐的问题。

基于上述理由本发明可在耐压壳等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中所述的圆柱形正弦波纹环肋耐压壳的纵截面结构示意图。

图2为本发明实施例1中所述的正弦函数的波纹环肋结构示意图。

图3为本发明实施例1中所述的圆柱形正弦波纹环肋耐压壳与普通圆柱耐压壳的非线性分析载荷-位移曲线图。

图4为本发明实施例1中所述的正弦波纹环肋截面与三角形环肋截面的对比示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种圆柱形正弦波纹环肋耐压壳(简称波纹环肋耐压壳)，属于单层壳体，所述波纹环肋耐压壳的内表面沿轴向设置有连续正弦波纹环肋结构，所述正弦波纹结构符合正弦函数y＝a·sin(2πx/T)的波纹形貌，其中所述圆柱形正弦波纹环肋耐压壳的中心轴线作为x轴，半径方向作为y轴，x和y作为因变量和从变量无特殊含义，a表示所述正弦函数幅值，T表示所述正弦函数的周期，所述波纹环肋耐压壳外表面为光滑的圆柱形结构；

所述圆柱形正弦波纹环肋耐压壳为通过筒节轧制设备进行连续轧制得到的一体化结构。

进一步地，所述正弦波纹形貌的幅值是指相邻波峰与波谷之间的距离，为所述正弦函数幅值的二倍，壳体厚度按照函数周期规律变化，某一位置的壳体厚度d

所述正弦波纹形貌的幅值与所述壳体厚度应遵循应用场景来确定，需考虑减重扩容的因素，即提高容重比，因此，所述正弦波纹形貌的幅值不宜过大，所述壳体厚度不宜太厚，在提高抗压性能的同时兼顾容重比，而且随着所述波纹环肋结构的宽度和幅值的增大，所述波纹环肋耐压壳的屈曲性能呈先上升后下降的趋势，而且所述波纹环肋结构的幅值对屈曲性能的影响更为明显，同时，所述正弦波纹环肋结构对耐压壳的强化作用会随着壳体厚度的增加而呈现减弱的趋势，因此所述正弦波纹环肋结构更适合用于薄壳结构，但所述波纹环肋耐压壳的厚度过薄就会形成多个刚性环间的板壳扭曲失效，因此，在进行所述正弦波纹环肋结构的设计时应进行严格考量，综合考虑波纹的数目、宽度和高度等因素。

进一步地，所述圆柱形正弦波纹环肋耐压壳的筒节高度＝波纹宽度×波纹数目。

所述圆柱形正弦波纹环肋耐压壳的轧制加工方法包括以下步骤：

S1、预压下：波纹芯辊首先进给一段较小的距离，该距离设置为波纹形貌的高度h，轧制系统开始运转，待整个轧制系统逐渐稳定后，波纹芯辊再开始向预定的轧制位置进给；

S2、轧制：首先使波纹成形，然后轧制到目标厚度；轧制开始后，波纹芯辊的波纹中各个波峰与筒节接触，随着波纹芯辊的进给，波纹芯辊的波纹曲线与筒节内壁在沿筒节轴向接触长度逐渐加大，即轴向上由点接触逐渐变为完整的线接触，直到波纹芯辊的波纹形貌各个波谷位置与筒节表面接触，此后筒节和波纹芯辊位置关系保持不变，波纹芯辊停止进给，驱动辊继续旋转，保持波纹芯辊的波纹与筒节波纹基本贴合，直至在筒节的整个周向形成完整的波纹形貌；

波纹芯辊表面完全接触筒节的时间为：

t

式中：h为波峰位置到波谷位置的垂直距离；v

t

t

式中：R为筒节外径；n为t

波纹成形阶段所需最小时间即为两者之和：

S3、圆整：当筒节在圆周方向形成完整的波纹形貌后，波纹芯辊不再继续进给，筒节与波纹芯辊接触的波纹轧制位置截面波纹轮廓不再发生变化，截面的宽度变小。

再进一步地，所述波纹环肋耐压壳的外径为300mm、高度为400mm，所述正弦波纹环肋结构符合正弦函数y＝2sin(πx/20)的波纹形貌，如图2所示，所述正弦波纹的宽度为40mm，所述波纹环肋耐压壳的壳体厚度在2～6mm之间呈周期性波动，所述壳体的平均厚度为4mm。

对比例1

对比例1为普通圆柱形耐压壳(简称为普通耐压壳)，所述普通耐压壳与所述波纹环肋耐压壳等容重、等高度，所述普通耐压壳的外径为300mm，壳体高度为400mm，厚度为4mm。

对实施例1所述波纹环肋耐压壳和对比例1所述普通耐压壳进行有限元分析和侧壁垂直压力试验，内容如下：

(1)有限元仿真分析

首先，将建立的所述波纹环肋耐压壳和所述普通耐压壳的三维模型分别导入Abaqus软件中，设置所述波纹环肋耐压壳和所述普通耐压壳的材质为不锈钢，弹性模量E为207GPa，泊松比v为0.3，屈服强度σ为380MPa；

然后对所述波纹环肋耐压壳的一端施加固定边界条件：U

对所述波纹环肋耐压壳的另一端限制x、y方向上的自由度，对轴线z方向上的自由度不做限制：U

对所述波纹环肋圆柱壳的柱形侧边外表面施加1MPa均布外压，获得有限元仿真结果。

所述普通耐压壳设置的有限元仿真参数与所述波纹环肋耐压壳的参数一致。

特征值屈曲分析：

所述波纹环肋耐压壳在第一阶屈曲载荷出现时，所述波纹环肋耐压壳即发生屈曲，结构失稳，随后出现屈曲行为，此外所述波纹环肋耐压壳中部受力较为集中，中部率先产生压缩破坏，所述普通耐压壳与所述波纹环肋耐压壳的现象相似，屈曲现象主要集中出现在中部，第一阶特征值是试验能达到的最终屈曲状态，与实际更为贴合，所述普通耐压壳与所述波纹环肋耐压壳的屈曲载荷对比如表1所示，在理想条件下，所述波纹环肋耐压壳的屈曲载荷明显高于所述普通耐压壳。(特征值屈曲分析是理想模型，只作为参考)

非线性屈曲分析(Riks弧长法)：

进行非线性分析时，需要通过编辑关键字来引入特征值分析结果的第一阶屈曲模态作为非线性分析的初始缺陷，非线性分析载荷-位移曲线如图3所示，对非线性分析载荷-位移曲线分析可知，随着外部载荷的增加，壳体屈曲载荷增至临界点后进入到后屈曲阶段，后屈曲阶段的壳体位移持续增加，所述普通圆柱耐压壳的屈曲过程与所述波纹环肋耐压壳的一致，随着引入的初始缺陷幅值的增加，屈曲载荷的变化逐渐平缓，说明所述波纹环肋耐压壳对初始缺陷的敏感度较低，具有较好的抵抗初始缺陷的能力，当外载荷达到8.05Mpa时，所述波纹环肋耐压壳开始屈曲，当外载荷达到7.03Mpa时，所述普通耐压壳开始屈曲，说明所述波纹环肋耐压壳的抗压能力优于所述普通耐压壳的。

表1所述普通耐压壳与所述波纹环肋耐压壳有限元仿真屈曲载荷对比表

因焊接环肋耐压壳的有限元分析的模型无法体现其特有缺陷，导致所述焊接环肋耐压壳与所述波纹环肋耐压壳的有限元分析结果相同，为了证明所述正弦波纹环肋结构具有与焊接环肋相同的作用，而引用公式计算所述波纹环肋耐压壳的屈曲应力，进行验证。

理论屈曲应力计算：

所述波纹环肋耐压壳壳体内表面的每一条所述周向波纹的截面与三角形环肋截面相似，如图4所示，所述正弦波纹的宽度对应三角形环肋的底边，所述正弦波纹的幅值对应三角形环肋的高，用于计算横截面积和惯性矩；

按照环肋圆柱形耐压壳壳体的整体稳定性公式对所述波纹环肋耐压壳进行分析计算：

式中：E：弹性模量，N/mm

n：周向失稳半波，其值一般为2、3、4；

t：壳体厚度，即波纹环肋耐压壳中波谷处的厚度，mm；

R：圆柱壳体平均半径，mm；

I：肋骨剖面惯性矩，mm

l：肋骨间距，mm；

整体屈曲应力：p

式中：C

R

F：肋骨剖面面积，mm

计算得出所述波纹环肋耐压壳的临界屈曲应力为8.814MPa，与所述波纹环肋耐压壳的非线性屈曲分析结果8.05MPa很接近(不考虑焊接影响的前提下，波纹环肋耐压壳的有限元分析结果与焊接环肋耐压壳的结果相同)，可说明在圆周方向上的波纹结构能够起到环肋加强的作用。

(2)侧壁垂直压力试验

将所述波纹环肋耐压壳和所述普通耐压壳分别水平放置在压力机上，使所述波纹环肋耐压壳与所述普通耐压壳的侧壁上下两条相对称的母线分别与压力机接触，压力机缓慢施压，在缓慢施压的过程中进行适当的保压操作，当试验壳体发生破坏时立即停止加压；

在缓慢施压的过程中所述波纹环肋耐压壳壳体和所述普通耐压壳壳体均发生变形且变形量逐渐增大，当压力增加到0.7kN时，所述普通耐压壳发生结构破坏；当压力增至1.5kN时，所述波纹环肋耐压壳结构发生破坏；

通过侧壁垂直压力试验的结果可知，与所述普通耐压壳相比，所述波纹环肋耐压壳在侧压作用下的抗压性能更为优异，抗压性能提升了114％。

本发明提供的圆柱形正弦波纹环肋耐压壳，利用正弦波纹结构代替普通的焊接环肋结构，不仅使圆柱形正弦波纹环肋耐压壳具有优异的抗压能力和稳定性，避免了焊接工艺带来的残余应力，同时简化了生产工序，圆柱形波纹环肋耐压壳的一体化结构还可达到轻量化减重的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。