一种变厚封头及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种变厚封头及其设计方法，变厚封头包括：球头，具有第一减薄区、第一增厚区；环部，包括第二增厚区、第二减薄区，筒体，包括第三减薄区；设计方法包括：选取现有蝶形封头作为变形前封头，确定变厚封头的增厚范围、减薄范围：计算变厚封头表面积、减薄区表面积、增厚区表面积；基于变厚封头在不同变厚系数下的总体积与变形前封头的总体积相等，确定减薄区厚度t1、增厚区厚度t2；建立变厚封头仿真模型；绘制变厚系数δ

【技术实现步骤摘要】
一种变厚封头及其设计方法


[0001]本专利技术涉及机械结构设计领域，尤其是一种变厚封头及其设计方法。

技术介绍

[0002]耐压壳体是潜水器最重要的结构单元，其结构设计必须是以满足极限强度要求、具有良好的力学特性、壳内空间利用率等；长久以来，碟形封头以其高效的空间利用率和良好的承载能力得到了最广泛的应用，且相较于球形封头与椭圆封头，碟形封头具有更好的可加工性，制作成本低廉。现有碟形封头结构如图1所示，现有碟形封头包括球头100、环部200以及筒体300，球头100位于现有碟形封头的上部位置，环部200均位于现有碟形封头的中部位置，筒体300均位于现有碟形封头的下部位置，现有蝶形封头在球头100、环部200以及筒体300处具有相同的均匀厚度。然而由于径向方向上的曲率不连续，使得碟形封头容易发生非线性屈曲，而其屈曲性能非常容易受到厚度、几何形状、材料及缺陷等强烈影响，对于变厚封头因曲率不连续而产生的应力集中尤其是环部的应力集中进而使得其抗压能力下降的问题，现需提供一种变厚封头及其设计方法。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：提供一种变厚封头及其设计方法，能够解决现有封头由于曲率不连续产生的应力集中从而造成抗压能力下降的问题，能够计算变厚封头的极限载荷。
[0004]技术方案：一种变厚封头，具有一中心轴，变厚封头包括向下弯曲的球头、连接于球头端部且沿球头弯曲方向朝外延伸的环部、以及连接于环部的底端并竖直向下延伸的筒体；球头的中间位置处具有一顶部、球头与环部的连接处具有关节部；球头包括第一减薄区、连接于第一减薄区端部并延伸至关节部的第一增厚区，环部包括连接于关节部的第二增厚区、连接于第二增厚区并延伸至环部与筒体的连接处的环形减薄区，筒体包括自环部与筒体的连接处延伸至筒体底端端部的第三减薄区；其中，第一增厚区、第二增厚区的径向厚度相等且均设为t2，第一减薄区、第二减薄区、第三减薄区的径向厚度相等且均设为t1，设定变厚封头的变厚系数δ，t1＝t2*δ。
[0005]进一步的，在变厚封头沿其中心轴方向上的截面内，第一增厚区的弧长为L1，第二增厚区的弧长为s1，环部的外环面弧长均为s，其中s1小于s，且L1小于s。
[0006]进一步的，第一减薄区、第一增厚区、第二增厚区、第二减薄区、第三减薄区的外表面依次平滑串联；第一增厚区与第二增厚区的内侧表面平滑连接；第二减薄区与第三减薄区的内侧表面平滑连接；第一减薄区、第二减薄区、第三减薄区的内侧表面相对于第二增厚区沿径向内凹设置。
[0007]进一步的，变厚系数δ的取值范围为0.2至1；当变厚系数δ等于1时，变厚封头为均厚封头。
[0008]进一步的，所述变厚封头为不锈钢结构件，变厚封头的材料属性包括：弹性模量E、屈服强度σ
y
以及泊松比μ。
[0009]本专利技术所述的变厚封头的有益效果为：相较于现有蝶形封头，该变厚封头克服了现有蝶形封头即变形前封头由于曲率不连续产生的应力集中的问题，变厚封头的极限载荷得到有效提高，从而该变厚封头的抗压能力得到有效提升。
[0010]本专利技术还提供一种应用于如上所述的变厚封头的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
[0011](01)、选取一现有蝶形封头作为变形前封头，确定相对于变形前封头变厚的变厚封头的增厚范围、减薄范围：在变厚封头沿其中心轴方向上的截面内，选取变厚封头的第一增厚区的弧长L1，第二增厚区的弧长s1，环部的外环面弧长为s，其中s1小于s，且L1小于s；设定第一增厚区、第二增厚区的径向厚度均为t2，第一减薄区、第二减薄区、第三减薄区的径向厚度均为t1；计算变厚封头的变厚系数为δ，其中t1＝t2*δ；
[0012](02)、选取筒体外侧表面之间的距离D并作为变厚封头的直径、球头球面的半径R、筒体的高度H、球头球面从关节部延伸至顶部的弧长L、环部的半径r；计算变厚封头表面积S
total
、变厚封头的减薄区表面积S
thin
、变厚封头的增厚区表面积S
thick
分别为：
[0013][0014][0015]S
thick
＝S
tota
l
‑
S
thin
；
[0016](03)基于变厚封头在不同变厚系数δ下的总体积与变形前封头在均匀厚度t下的总体积相等，根据步骤(02)获得的S
total
、S
thick
、S
thin
，确定变厚封头在不同变厚系数δ下的减薄区的径向厚度t1、增厚区的径向厚度t2；
[0017](04)获取变厚封头的材料属性包括：弹性模量E、屈服强度σ
y
以及泊松比μ，建立变厚封头的仿真模型；利用仿真模型绘制变厚系数δ
‑
载荷系数k图，其中载荷系数k是变厚封头极限载荷与等厚封头极限载荷的比值；根据变厚系数δ
‑
载荷系数k图，选取载荷系数k大于1且随变厚系数δ增加而载荷系数k的值降低时所对应的变厚系数δ的取值范围，并作为有益变厚区间；拟合有益变厚区间下的变厚系数δ
‑
载荷系数k的函数方程；
[0018](05)利用步骤(04)中的变厚系数δ
‑
载荷系数k的函数方程以获取载荷系数k，并获取变形前封头在均匀厚度t下的极限载荷，确定有益变厚区间内不同变厚系数δ下的变厚封头极限载荷预测模型为：
[0019][0020]进一步的，在步骤(01)中，选取变厚系数δ的取值范围为0.2至1。
[0021]进一步的，在步骤(03)中，记变厚封头在不同变厚系数δ下的总体积V1，记变形前封头在均匀厚度t下的总体积V2，V1＝V2；且V1、V2分别满足以下公式：
[0022]V1＝S
thick
*t2+S
thin
*t1＝S
thick
*t2+S
thin
*t2*δ；
[0023]V2＝S
tptal
*t。
[0024]进一步的，在步骤(04)中，根据变厚系数δ
‑
载荷系数k图，选取载荷系数k大于1时
所对应的变厚系数δ的取值范围，以作为有效变厚区间。
[0025]进一步的，在步骤(04)中，利用仿真模型绘制变厚系数δ
‑
载荷系数k图的步骤包括：利用仿真模型获得多个变厚系数δ的极限载荷、获得变厚系数δ＝1时的极限载荷，分别计算所述多个变厚系数下的多个载荷系数，并在以变厚系数为横轴、以载荷系数为纵轴的笛卡尔坐标系中，标定由多个变厚系数下的载荷系数形成的坐标点所在位置，以绘制变厚系数δ
‑
载荷系数k图。
[0026]有益效果：该变厚封头设计方法，以变厚封头的总体积与变形前封头的总体积相等为基准，计算得出变厚封头表面积、减薄区表面积、增厚区表面积，并获取的变形前封头的均匀厚度，从而确定变厚封头在变厚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变厚封头，具有一中心轴(01)，变厚封头包括向下弯曲的球头(1)、连接于球头端部且沿球头弯曲方向朝外延伸的环部(2)、以及连接于环部的底端并竖直向下延伸的筒体(3)，球头、环部、筒体均绕中心轴设置；球头的中间位置处具有一顶部(4)、球头与环部的连接处具有关节部(5)；其特征在于：球头包括一第一减薄区(11)、连接于第一减薄区端部并延伸至关节部的第一增厚区(12)，环部包括连接于关节部的第二增厚区(21)、连接于第二增厚区并延伸至环部与筒体的连接处的第二减薄区(22)，筒体包括自环部与柱的连接处延伸至柱的底端(7)端部的第三减薄区(31)；其中，第一增厚区、第二厚区的径向厚度相等且均设为t2，第一减薄区、第二减薄区(22)、第三减薄区(31)的径向厚度相等且均设为t1，设定变厚封头的变厚系数δ，t1＝t2*δ。2.根据权利要求1所述的变厚封头，其特征在于，在变厚封头沿其中心轴方向上的截面内，第一增厚区的弧长为L1，第二增厚区的弧长为s1，环部的外环面弧长为s，其中s1小于s，且L1小于s。3.根据权利要求1所述的变厚封头，其特征在于，第一减薄区、第一增厚区、第二增厚区、第二减薄区、第三减薄区的外表面依次平滑串联；第一增厚区与第二增厚区的内侧表面平滑连接；第二减薄区与第三减薄区的内侧表面平滑连接；第一减薄区、第二减薄区、第三减薄区的内侧表面相对于第二增厚区沿径向内凹设置。4.根据权利要求1所述的变厚封头，其特征在于，变厚系数δ的取值范围为0.2至1；当变厚系数δ等于1时，变厚封头为均厚封头。5.根据权利要求1所述的变厚封头，其特征在于，所述变厚封头为不锈钢结构件，变厚封头的材料属性包括：弹性模量E、屈服强度σ
y
以及泊松比μ。6.一种应用于权利要求1至5中任一项所述的变厚封头的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：(01)、选取一现有蝶形封头作为变形前封头，确定相对于变形前封头变厚的变厚封头的增厚范围、减薄范围：在变厚封头沿其中心轴方向上的截面内，选取变厚封头的第一增厚区的弧长L1，第二增厚区的弧长s1，环部的外环面弧长为s，其中s1小于s，且L1小于s；设定第一增厚区、第二增厚区的径向厚度均为t2，第一减薄区、第二减薄区、第三减薄区的径向厚度均为t1；计算变厚封头的变厚系数为δ，其中t1＝t2*δ；(02)、选取筒体外侧表面之间的距离D并作为变厚封头的直径、球头球面的半径R、筒体的高度H、球头球面从关节部延伸至顶部的弧长L、环部的半径r；计算变厚封头表面积S
total
、变厚封头的减薄区表面积S
thin
、变厚封头的增厚区表面积S
thick
分别为：分别为：S
thick
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建，胡豪夫，赵坦，展铭，李泓运，王芳，苏世杰，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：