超大型等静压设备多叠合机架变形协调设计方法技术

一种超大型等静压设备多叠合机架变形协调设计方法，包括步骤：1)根据机架及端盖尺寸得到主、辅机架与端盖接触面积比，再根据机架受力状况来确定主、辅机架承受的轴向载荷；2)根据给定的预紧力系数及上述得到的机架轴向载荷，运用预紧力计算公式确定主、辅机架预紧力；3)确定主机架立柱的截面积，基于主机架立柱的宽度和厚度，计算主机架每根钢丝缠绕层数；4)确定辅机架立柱的截面积，基于辅机架立柱的宽度和厚度，计算辅机架每根钢丝缠绕层数。本发明专利技术目的在于采用多叠合机架结构，解决整体式机架制造难度大且制造成本极其昂贵的难题；还可以有效减小锻件尺寸，使锻件制造成为可能，并大大降低机架结构的经济成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超大型等静压设备设计领域，具体涉及一种。
技术介绍
超大型等静压设备(是指工作缸直径大于2米，轴向工作载荷大于50000吨的超高压大规格等静压设备)的机架结构宽度过大，半圆梁直径和立柱长度都大于5米，受我国大型锻件制造能力制约，整体式机架制造难度大而且制造成本极其昂贵，采用该机架结构基本不可行，因此设计合理的机架结构形式成为研究热点。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种，从而解决整体式机架制造难度大而且制造成本极其昂贵的难题。所述，包括步骤1)根据钢结构及机架工作需要主机架宽度h、辅机架宽度b2、机架间距a以及端盖半径r ；2)根据主机架宽度1^、辅机架宽度Iv机架间距a以及端盖半径r，分别计算主机架与端盖的接触面积F1，辅机架与端盖的接触面积F2,并计算主、辅机架与端盖的接触面积的比值k;3)基于多机架非线性受力的均勻再分配假设及力平衡原理，根据给定的机架结构承受的轴向总载荷P以及k计算出主机架承受的轴向工作载荷P1和辅机架承受轴向工作载荷P2 ；4)根据给定的主机架预紧系数Il1、辅机架预紧系数η2，步骤幻中得到的主、辅机架承受轴向载荷P1和P2,确定主、辅机架预紧力Pc1和Pc2 ；基于各机架立柱的压缩量一致， 根据缠绕设计理论，计算得到主辅机架立柱截面积的比值ki ；5)根据主机架预紧力Pc1、主机架的立柱个数ii、钢丝的许用应力[σ]，计算得到主机架立柱截面积Fc1 ；6)利用变张力缠绕计算方法，计算主机架钢丝缠绕层数Z1 ；7)基于各机架立柱的压缩量一致，计算计算辅机架立柱的截面积Fc2 ；8)基于工作时各机架立柱的伸长量一致，根据辅机架每层钢丝根数叫，得到辅机架钢丝层数h。本专利技术以超高压大规格等静压设备为载体，在传统整体式机架的缠绕设计基础上，研究超大型等静压设备的多叠合机架变形协调技术，提出一种设计方法，保证工作时各机架变形协调达到一致。采用多叠合机架替代了整体式机架，解决了整体式机架制造难度大且制造成本极其昂贵的难题。多机架结构可以有效减小锻件尺寸，使锻件制造成为可能， 并大大降低机架结构的经济成本。附图说明图1是本专利技术的三叠合机架模型图，其中，1-主机架，2-辅机架；图2是本专利技术的三叠合机架剖视图，其中，1-主机架立柱；2-主机架半圆梁；3-主机架钢丝；4-辅机架钢丝；5-辅机架半圆梁；6-辅机架立柱。图3是本专利技术的工作态单机架受力示意图，1-立柱，2-半圆梁，3-钢丝；图4是本专利技术的工作态三叠合机架受力分配示意图，其中，1-端盖，2-辅机架半圆梁，3-主机架半圆梁；图5是本专利技术的三叠合机架与端盖接触示意图；图6是本专利技术的主机架与端盖接触示意图；图7是本专利技术的辅机架与端盖接触示意图；图8是本专利技术的设计流程图。具体实施例方式以下参照附图，详细说明本专利技术的实施方式。图1是本专利技术的三叠合机架模型图，图2是本专利技术的三叠合机架剖视图。从图中可见，该三叠合机架包括位于中间的一片主机架和位于该主机架左右侧的两片辅机架，两个辅机架采用对称结构，即两个辅机架的结构相同，该结构设计加工简单方便。叠合机架用于承受超大缸径工作缸的轴向载荷，机架承受的轴向载荷在500MN以上。每片机架包括二个上下对称的机架水平梁(半圆梁)、二个左右对称的机架垂直梁(立柱)以及利用预应力钢丝缠绕技术将半圆梁、立柱缠绕成一个整体的高强度机架钢丝。梁柱间无刚性连接，接触部位无应力集中。半圆梁承受弯曲载荷，立柱承受弯曲和轴向载荷。机架缠绕完成后，半圆梁在钢丝预紧力的作用下弯曲变形，立柱产生弯曲和压缩变形。加压工作时，在轴向载荷的作用下， 立柱逐渐拉伸变形，应力从最大值减小到最小值，但一直保持在压应力状态，缠绕层的钢丝能承受很高的拉应力，钢丝在承载时的应力(工作状态)比承载前(预紧状态)有所增加， 但增加量不大，钢丝的应力波动值较小。图3是本专利技术的工作态单机架受力示意图，从图中可见，立柱承受的工作载荷为A和钢丝层承受的工作载荷为 满足力平衡和变形协调方程，可得公式⑴和公式⑵Qw+Qc = P/i (1)其中，i为立柱个数，这里取2，P为立柱的轴向载荷。同时立柱和钢丝满足变形协调方程α _ αEwmzf EcFc(2)其中，Ec为各机架立柱弹性模量，Fc为机架立柱截面积，Ew为钢丝弹性模量，f为钢丝截面积，m为机架每层钢丝根数，ζ为机架钢丝缠绕层数。立柱承受的工作载荷为ζ!。可表示为 (3) 其中，C为机架钢丝与立柱的拉压刚度比，C =_ EwfEcxFc钢丝层承受的工作载荷为 可表示为⑷超大规格等静压机工作缸端盖为浮动式结构，加压过程中，工作缸筒体只承受径向压力，压力介质作用在上下端盖受压面上产生的轴向载荷通过上下端盖传递给叠合机架。由于工作缸上下端盖为圆形截面，主、辅机架水平梁承压板与端盖接触面的面积不同， 因此主机架与辅机架受到的轴向载荷不同。图4是本专利技术的工作态三叠合机架受力分配示意图，如图4可见，上下端盖受到的压力为P，主机架半圆梁受到的轴向载荷为P1，左右两侧的辅机架半圆梁受到的轴向载荷均为P2。三叠合机架在最大压力下，立柱总伸长量可达8mm 以上，上端盖总位移更是多达10mm，因此必须使主机架、辅机架在压力作用下立柱伸长量协调一致才能保证上、下端盖移动平稳，不出现异常，同时消除因伸长不一致产生的应力不均勻。为制造变形协调的超大型等静压设备多叠合机架，本专利技术提出如下假设1)基于多机架非线性受力的均勻再分配假设若主、辅机架的立柱在预紧态压缩量基本一致且工作压力作用下立柱伸长量一致，则主、辅机架与端盖接触面上的应力分布均勻一致。2)主、辅机架立柱的材料相同，则弹性模量、泊松比和许用应力相同。3)主、辅机架立柱的原始长度相同。由图4可见，假定三机架结构承受的轴向总载荷为P，主机架承受轴向载荷P1,辅机架承受轴向载荷为ρ2，[ σ 为主机架材料许用应力，[σ ]2为辅机架材料许用应力，F1为主机架与端盖的接触面积，F2为辅机架与端盖的接触面积。由假设可知[^^[设[σ ]为端盖材料的许用应力，则得公式(9)ρF1 +IxF2(9)其中，F1 = arcsin(^ /(2r)) χ r2 + 爽 χ ^r2-QylHfF2 = arccos(((y) + α)/r)χr2 -(Z)1 + 2α)χ/ /4-arccos((^ +2a + b2)l2r)xr2 +^■(^■ + a + b2)H1 =I^r2+of H2=I^r2 +a +b2f为保证端盖满足剪切强度，假设机架覆盖端盖面积与端盖总面积的比值为c(通常c取值为0. 7-0. 9)，则得公式(10)b1+2Xa+2Xb2 ^ 2rXc (10)因此机架的宽度分配要满足式公式(9)和公式(10)，即可满足强度要求。变形协调假设1 各机架立柱的压缩量一致。设定主机架预紧系数为η”主机架立柱截面积为Fc1，辅机架预紧系数为112，辅机架立柱截面积为Fc2, Lr1为缠绕完毕主机架立柱的压缩量，Lr2为缠绕完毕辅机架立柱的压缩量。各机架立柱弹性模量为Ec，立柱长为L。则根据缠绕设计理论，可得以下公式(11) 和公式(12)Lri=Jh^L·(11)Lr2 =Ec χ Fcl1^l (12)Ec χ Fc2为保证变形协调，首先要保证多机架立柱的压缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种超大型等静压设备多叠合机架变形协调设计方法，其特征在于，包括步骤：１）根据钢结构及机架工作需要主机架宽度ｂ１、辅机架宽度ｂ２、机架间距ａ以及端盖半径ｒ；２）根据主机架宽度ｂ１、辅机架宽度ｂ２、机架间距ａ以及端盖半径ｒ，分别计算主机架与端盖的接触面积Ｆ１，辅机架与端盖的接触面积Ｆ２，并计算主、辅机架与端盖的接触面积的比值ｋ；３）基于多机架非线性受力的均匀再分配假设及力平衡原理，根据给定的机架结构承受的轴向总载荷Ｐ以及ｋ计算出主机架承受的轴向工作载荷Ｐ１和辅机架承受轴向工作载荷Ｐ２；４）根据机架结构及钢丝缠绕状况确定主机架预紧系数η１、辅机架预紧系数η２，步骤３）中得到的主、辅机架承受轴向载荷Ｐ１和Ｐ２，确定主、辅机架预紧力Ｐｃ１和Ｐｃ２；基于各机架立柱的压缩量一致，根据缠绕设计理论，计算得到主辅机架立柱截面积的比值ｋ１；５）根据主机架预紧力Ｐｃ１、主机架的立柱个数ｉ１、钢丝的许用应力［σ］，计算得到主机架立柱截面积Ｆｃ１；６）利用变张力缠绕计算方法，计算主机架钢丝缠绕层数ｚ１；７）基于各机架立柱的压缩量一致，计算计算辅机架立柱的截面积Ｆｃ２；８）基于工作时各机架立柱的伸长量一致，根据辅机架每层钢丝根数ｍ２，得到辅机架钢丝层数ｚ２。...

【技术特征摘要】
1.一种超大型等静压设备多叠合机架变形协调设计方法，其特征在于，包括步骤1)根据钢结构及机架工作需要主机架宽度bi、辅机架宽度Iv机架间距a以及端盖半径r ；2)根据主机架宽度1^、辅机架宽度Iv机架间距a以及端盖半径r，分别计算主机架与端盖的接触面积F1,辅机架与端盖的接触面积F2,并计算主、辅机架与端盖的接触面积的比值k;3)基于多机架非线性受力的均勻再分配假设及力平衡原理，根据给定的机架结构承受的轴向总载荷P以及k计算出主机架承受的轴向工作载荷P1和辅机架承受轴向工作载荷 P2;4)根据机架结构及钢丝缠绕状况确定主机架预紧系数Il1、辅机架预紧系数η2，步骤 3)中得到的主、辅机架承受轴向载荷？1和&，确定主、辅机架预紧力PCl*PC2 ；基于各机架立柱的压缩量一致，根据缠绕设计理论，计算得到主辅机架立柱截面积的比值h ；5)根据主机架预紧力Pc1、主机架的立柱个数I1、钢丝的许用应力[σ]，计算得到主机架立柱截面积Fc1 ；6)利用变张力缠绕计算方法，计算主机架钢丝缠绕层数Z1；7)基于各机架立柱的压缩量一致，计算计算辅机架立柱的截面积Fc2；8)基于工作时各机架立柱的伸长量一致，根据辅机架每层钢丝根数m2，得到辅机架钢丝层数h。2.根据权利要求1所述的超大型等静压设备多叠合机架变形协调设计方法，其特征在于，所述步骤幻包括根据主、辅机架与端盖接触面积的比值k通过如下公式计算主、辅机架承受的轴向载荷P1和P2,3.根据权利要求2所述的超大型等静压设备多叠合机架变形协调设计方法，其特征在于，所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎利辉，李慧丽，刘宝胜，张建勇，布国亮，王永明，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11