一种波纹圆柱耐压壳及其成型装置和方法

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1.本发明涉及潜水器领域，尤其涉及一种波纹圆柱耐压壳及其成型装置和方法。

背景技术：

2.随着海洋领域不断的研究，留给我们探索的空间越来越少，相应的对深海的探索就显得尤为重要，随着下潜深度的不断提升，耐压壳作为潜水器的重要组成部分，其壳体的材料性能、制造工艺研究都需要不断提出新的要求，去进一步提高耐压壳临界压力，为潜水器的结构优化设计提供参考。同时耐压壳体是承受静水压力的薄壳结构，要求具有良好的力学特性、壳内空间利用率并满足人机工程学的要求，其重量占潜水器总重的1/4～1/2，要求具有良好的力学特性、流体力学特性，以提升潜水器的安全性、载运能力、机动性和下潜时间等性能。目前公知的用于深海领域的耐压壳存在如下缺陷：传统圆柱形耐压壳其力学特性差，且内部往往需要设置加强肋来巩固，牺牲了其壳体内部空间，加强肋与耐压壳之间的焊接容易导致耐压壳焊接变形，使得耐压壳的材料力学性能在生产过程中没有得到充分利用，工作内应力无法有效释放，导致承载能力下降，安全性较低。

技术实现要素：

3.发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明第一目的是公开一种波纹圆柱耐压壳；
4.第二目的是公开一种波纹圆柱耐压壳的成型装置；
5.第三目的是公开利用上述成型装置的波纹圆柱耐压壳成型方法。
6.技术方案：本发明所公开的波纹圆柱耐压壳，由内筒、中筒和外筒依次间隔套设形成，所述内筒和外筒均为轴向波纹筒结构，所述内筒的外侧波峰及外筒的内侧波谷均紧贴中筒形成支撑结构，所述内筒和中筒之间、中筒和外筒之间填充有复合材料。
7.进一步的，所述内筒和外筒的波高相同。
8.进一步的，所述内筒的波峰与外筒的波谷在中筒筒壁两侧对应。
9.进一步的，所述复合材料为液态树脂和纳米复合材料。
10.一种波纹圆柱耐压壳的成型装置，包括装置舱，所述装置舱顶部和底部分别设有上板和下板，待成型的内筒、中筒及外筒间隔设于装置舱内，其上下端口分别嵌于上板和下板形成密封，所述内筒内为胀形腔，所述外筒与装置舱之间为外压腔，所述上板对应胀形腔和外压腔分别开设进水口，配合设置堵塞栓，所述下板对应胀形腔和外压腔分别开设出水口，配合设置堵塞栓，所述内筒和中筒之间、中筒和外筒之间周向间隔设有多根钢筋，所述钢筋外周紧贴筒壁，两端轴向延伸至上板和下。
11.一种波纹圆柱耐压壳的成型方法，采用上述的成型装置，包括以下步骤：
12.s1、装配上述的成型装置，安装好内、中和外筒；
13.s2、通过胀形腔的进水口注水，对内筒进行胀形成型，使其由内向外贴合中筒，在钢筋的限制下呈波纹结构；
14.s3、通过外压腔的进水口注水，对外筒进行外压成型，使其由外向内贴合中筒，在钢筋的限制下呈波纹结构；
15.s4、取出钢筋；
16.s5、在内筒和中筒之间、中筒和外筒之间填充复合材料，固化成型。
17.其中，s2中全程利用压力传感器监测舱内压力，
18.内筒的初始塑性压力公式如式(1)所示：
[0019][0020]
凸出的胀形量可由膨胀压力控制，其膨胀压力如式(2)所示：
[0021][0022]
式(1)中p1为初始塑性压力，式(2)中p2为膨胀压力，k为材料体积系数，t0为内筒的初始厚度，σy为由0.2％验证应力确定的屈服点，r0为内筒的半径，h为内筒的凸
[0023]
出量，l为筒的高度。
[0024]
进一步的，s3中全程利用压力传感器监测舱内压力，
[0025]
外筒的屈曲载荷计算公式如式(3)-式(6)所示：
[0026][0027][0028][0029][0030]
式(3)、(4)、(5)、(6)中p3为屈曲载荷压力，e为杨氏模量，t为外筒的初始厚度，r为外筒的半径，为安全系数，l为筒的高度。
[0031]
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：
[0032]
1、多层的波纹圆柱壳其承载能力有明显的提高；
[0033]
2、波纹耐压壳空间利用率高，减小了加强肋对壳体空间利用率的影响；
[0034]
3、在夹层中加入了液态树脂和纳米复合材料，既增强了环形波纹圆柱耐压壳的抗压能力，又能减轻壳体整体质量；
[0035]
4、设计了专用的成型装置，可以自由改变钢筋的数目形成不同波纹数的圆柱壳满足不同的工况需求。
附图说明
[0036]
图1为本发明波纹圆柱耐压壳俯视图；
[0037]
图2为本发明波纹圆柱耐压壳成型装置结构主视图；
[0038]
图3为图2正视中的a-a处剖视图；
[0039]
图4为图2俯视中的b-b处剖视图；
[0040]
图5为本发明波纹圆柱耐压壳初始俯视图；
[0041]
图6为本发明波纹圆柱耐压壳内筒胀形成型俯视图；
[0042]
图7为本发明波纹圆柱耐压壳外筒外压成型俯视图；
[0043]
图8为本发明波纹圆柱耐压壳内钢筋去除后俯视图；
[0044]
图9为本发明波纹圆柱耐压壳填充复合材料固化后俯视图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0046]
如图1所示的波纹圆柱耐压壳，由内筒1、中筒2和外筒3依次间隔套设形成，所述内筒1和外筒3均为轴向波纹筒结构，所述内筒1的外侧波峰及外筒3的内侧波谷均紧贴中筒2形成支撑结构，所述内筒1和中筒2之间、中筒2和外筒3之间填充有复合材料4。
[0047]
所述内筒1和外筒3的波高相同，所述内筒1的波峰与外筒3的波谷在中筒2筒壁两侧对应。所述复合材料4为液态树脂和纳米复合材料。
[0048]
如图2-4所示的波纹圆柱耐压壳的成型装置，包括装置舱6，所述装置舱6顶部和底部分别设有上板7和下板8，待成型的内筒1、中筒2及外筒3间隔设于装置舱6内，其上下端口分别嵌于上板7和下板8形成密封，所述内筒1内为胀形腔，所述外筒3与装置舱6之间为外压腔，所述上板7对应胀形腔和外压腔分别开设进水口9，配合设置堵塞栓，所述下板8对应胀形腔和外压腔分别开设出水口11，配合设置堵塞栓，所述内筒1和中筒2之间、中筒2和外筒3之间周向间隔设有多根钢筋12，所述钢筋12外周紧贴筒壁，两端轴向延伸至上板7和下板8。
[0049]
采用上述成型装置的波纹圆柱耐压壳成型方法，包括以下步骤：
[0050]
s1、装配成型装置，安装好内、中和外筒，根据所需波纹结构选择钢筋数量，此时耐压壳如图5所示。
[0051]
s2、通过胀形腔的进水口注水，对内筒1进行胀形成型，使其由内向外贴合中筒2，在钢筋12的限制下呈波纹结构，全程利用压力传感器监测舱内压力，
[0052]
内筒1的初始塑性压力公式如式(1)所示：
[0053][0054]
凸出的胀形量可由膨胀压力控制，其膨胀压力如式(2)所示：
[0055][0056]
式(1)中p1为初始塑性压力，式(2)中p2为膨胀压力，k为材料体积系数，t0为内筒的初始厚度，σy为由0.2％验证应力确定的屈服点，r0为内筒的半径，h为内筒的凸出量，l为筒的高度。
[0057]
待胀形过后，通过堵塞栓打开出水口，进行泄水，泄水完毕，关闭出水口。
[0058]
此时耐压壳如图6所示。
[0059]
s3、通过外压腔的进水口注水，对外筒3进行外压成型，使其由外向内贴合中筒2，在钢筋12的限制下呈波纹结构，全程利用压力传感器监测舱内压力，
[0060]
外筒(3)的屈曲载荷计算公式如式(3)-式(6)所示：
[0061][0062][0063][0064][0065]
式(3)、(4)、(5)、(6)中p3为屈曲载荷压力，e为杨氏模量，t为外筒的初始厚度，r为外筒的半径，为安全系数(一般为0.7)，l为筒的高度。
[0066]
外压成型结束后，通过堵塞栓打开出水口，进行泄水，泄水完毕，关闭出水口。至此内筒、中筒和外筒三者间贴合成环形波纹状。如图7所示。
[0067]
s4、取出钢筋，为后续填充准备，拆除过后，其俯视如图8所示
[0068]
s5、在内筒1和中筒2之间、中筒2和外筒3之间注入液态树脂和纳米复合材料，使其填充满，然后将环形波纹圆柱壳内的液态复合材料固化，使其完全成型，如图9所示。

技术特征：

1.一种波纹圆柱耐压壳，其特征在于：由内筒(1)、中筒(2)和外筒(3)依次间隔套设形成，所述内筒(1)和外筒(3)均为轴向波纹筒结构，所述内筒(1)的外侧波峰及外筒(3)的内侧波谷均紧贴中筒(2)形成支撑结构，所述内筒(1)和中筒(2)之间、中筒(2)和外筒(3)之间填充有复合材料(4)。2.根据权利要求1所述的波纹圆柱耐压壳，其特征在于：所述内筒(1)和外筒(3)的波高相同。3.根据权利要求1所述的波纹圆柱耐压壳，其特征在于：所述内筒(1)的波峰与外筒(3)的波谷在中筒(2)筒壁两侧对应。4.根据权利要求1所述的波纹圆柱耐压壳，其特征在于：所述复合材料(4)为液态树脂和纳米复合材料。5.权利要求1所述的波纹圆柱耐压壳的成型装置，其特征在于：包括装置舱(6)，所述装置舱(6)顶部和底部分别设有上板(7)和下板(8)，待成型的内筒(1)、中筒(2)及外筒(3)间隔设于装置舱(6)内，其上下端口分别嵌于上板(7)和下板(8)形成密封，所述内筒(1)内为胀形腔，所述外筒(3)与装置舱(6)之间为外压腔，所述上板(7)对应胀形腔和外压腔分别开设进水口(9)，配合设置堵塞栓，所述下板(8)对应胀形腔和外压腔分别开设出水口(11)，配合设置堵塞栓，所述内筒(1)和中筒(2)之间、中筒(2)和外筒(3)之间周向间隔设有多根钢筋(12)，所述钢筋(12)外周紧贴筒壁，两端轴向延伸至上板(7)和下板(8)。6.一种波纹圆柱耐压壳的成型方法，其特征在于，采用权利要求5所述的成型装置，包括以下步骤：s1、装配权利要求5所述的成型装置，安装好内、中和外筒；s2、通过胀形腔的进水口注水，对内筒(1)进行胀形成型，使其由内向外贴合中筒(2)，在钢筋(12)的限制下呈波纹结构；s3、通过外压腔的进水口注水，对外筒(3)进行外压成型，使其由外向内贴合中筒(2)，在钢筋(12)的限制下呈波纹结构；s4、取出钢筋；s5、在内筒(1)和中筒(2)之间、中筒(2)和外筒(3)之间填充复合材料(4)，固化成型。7.根据权利要求6所述的波纹圆柱耐压壳的成型方法，其特征在于：s2中全程利用压力传感器监测舱内压力，内筒(1)的初始塑性压力公式如式(1)所示：凸出的胀形量可由膨胀压力控制，其膨胀压力如式(2)所示：式(1)中p1为初始塑性压力，式(2)中p2为膨胀压力，k为材料体积系数，t0为内筒的初始厚度，σ
y
为由0.2％验证应力确定的屈服点，r0为内筒的半径，h为内筒的凸出量，l为筒的高度。
8.根据权利要求6所述的波纹圆柱耐压壳的成型方法，其特征在于：s3中全程利用压力传感器监测舱内压力，外筒(3)的屈曲载荷计算公式如式(3)-式(6)所示：式(6)所示：式(6)所示：式(6)所示：式(3)、(4)、(5)、(6)中p3为屈曲载荷压力，e为杨氏模量，t为外筒的初始厚度，r为外筒的半径，为安全系数，l为筒的高度。

技术总结

本发明公开了一种波纹圆柱耐压壳，由内筒、中筒和外筒依次间隔套设形成，所述内筒和外筒均为轴向波纹筒结构，所述内筒的外侧波峰及外筒的内侧波谷均紧贴中筒形成支撑结构，所述内筒和中筒之间、中筒和外筒之间填充有复合材料；还公开了上述波纹圆柱耐压壳的成型装置和成型方法。本发明可以解决现有技术中普通圆柱形耐压壳力学特性差，增加加强肋而牺牲内部空间，承载能力差，安全性能低的技术问题。并且加入了液态树脂和纳米复合材料，既增强了环形波纹圆柱耐压壳的抗压能力，又能轻量化减轻整体的质量和起到降噪效果。体的质量和起到降噪效果。体的质量和起到降噪效果。