CN110743956A - 一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法及*** - Google Patents

一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法及***。该方法包括：确定成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体的体积计算模型；基于此，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型；根据成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，确定成形前预制壳体的结构尺寸；将成形后椭球壳体的目标轴长尺寸以及成形前预制壳体的结构尺寸代入体积差计算模型，得到成形后椭球壳体与成形前预制壳体的体积差，记为目标体积量；向成形前预制壳体中注入体积为目标体积量的液体，以获取成形后的椭球壳体。本发明的成形工艺简单，容易实施，成形时不需要考虑材料及壁厚差异，壳体轴长尺寸精度可控可调，适合于现场制造大尺寸椭球容器。

Description

一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法及***
技术领域
本发明涉及椭球容器制造技术领域，特别是涉及一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法及***。
背景技术
椭球容器在石油化工、给水工程、压力容器和建筑装饰等领域得到了广泛的应用。特别是轴长比λ(长轴与短轴长度之比)大于
Figure BDA0002258972610000016
的扁椭球，由于具有重心低、承受风载小以及外形美观等优点，是大型水塔水箱的理想结构。此外，在航天领域，运载火箭燃料贮箱的箱底通常采用扁椭球结构，具有有效节约空间和结构承载性能高等优点。
椭球容器传统的成形制造方法是壳板分块模压再焊接成整球，由于该方法需要大型模具和压力机，制造成本较高，而且一旦产品的直径与壁厚发生变化，又需重新制造模具，因此对产品变更的适应性差。对于大型椭球容器而言，还需要多套模具才能满足要求，这使得椭球容器的制造成本过高、周期过长。
为了解决椭球容器制造存在的难题，提出并发展了椭球容器的整体无模液压成形方法。椭球壳由于各处曲率不同，液压成形时各处应力状态不同，并非简单的胀形变形。研究表明，椭球容器能否顺利成形与其轴长比λ有着密不可分的关系，对于轴长比
Figure BDA0002258972610000011
的椭球壳液压成形(λ＝1为球形容器)，可以顺利成形出合格产品；而对于轴长比
Figure BDA0002258972610000012
的椭球壳，在内压作用下，由于赤道带附近受纬向压应力作用，成形过程中发生失稳起皱，无法成形出合格产品。针对轴长比
Figure BDA0002258972610000013
的椭球容器液压成形过程中赤道带发生失稳起皱的难题，提出双轴长比椭球容器液压成形方法(专利号：ZL201310628487.3)。其基本思想是：椭球容器液压成形前预制壳设计为双轴长比结构，在产生环向失稳起皱的赤道线与拉压分界角之间区域用一段轴长比为
Figure BDA0002258972610000014
的椭球壳进行代替，另一段椭球壳轴长比
Figure BDA0002258972610000015
从而保证内压作用下双轴长比椭球容器整体纬向不受压应力作用。随着内压的增加，双轴长比预制壳体逐渐发生塑性变形，短轴随内压增加显著伸长，长轴随内压增加仅发生轻微收缩，最后当内压达到一定值(一般为1.0-1.1ps，ps为屈服内压)时两段椭球壳的曲率半径变为一样，成形出轴长比的椭球容器。随着内压的继续增加，椭球容器的轴长比λ逐渐减小。
在无模液压成形中壳体处于无外部约束的状态，因此，如何控制壳体曲率半径精度是壳体无模液压成形的关键。如上所述，目前主要通过压力加载的方式进行控制。对于球形容器，可采用成形压力与直径的定量关系模型(成形压力其中p为成形压力，t为壁厚，d为球形容器直径，σs为容器材料屈服强度)，通过控制成形压力调控壳体直径。然而，在轴长比
Figure BDA0002258972610000023
的椭球壳液压成形中，由于椭球壳各处曲率半径不同，两极部位先发生变形，随后壳体高纬度区域发生变形并逐渐扩展到赤道区域，赤道区域最后发生变形。而对于双轴长比椭球壳液压成形，变形过程更加复杂。因此，无法通过压力加载的方法控制椭球壳长轴和短轴尺寸精度。对于轴长比
Figure BDA0002258972610000024
的某一尺寸目标椭球容器，无法事先确定所用双轴长比椭球预制壳体的具体尺寸，以及在多高的内压作用下可获得目标尺寸椭球容器。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法及***，使椭球容器的成形工艺简单，容易实施，成形时不需要考虑材料及壁厚差异，壳体轴长尺寸精度可控可调，适合于现场制造大尺寸椭球容器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法，包括：
确定成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体的体积计算模型，所述成形前预制壳体经过液体的加载后成形，得到所述成形后椭球壳体；所述成形前预制壳体关于其中心对称，且所述成形前预制壳体由多段椭球壳组成，多段椭球壳中具有来自不同椭球的椭球壳；
根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型；
获取成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，所述目标轴长尺寸根据需求确定；
根据成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，确定成形前预制壳体的结构尺寸；
将成形后椭球壳体的目标轴长尺寸以及成形前预制壳体的结构尺寸代入所述体积差计算模型，得到成形后椭球壳体与成形前预制壳体的体积差，记为目标体积量；
按照成形前预制壳体的结构尺寸制作成形前预制壳体，并向所述成形前预制壳体中注入体积为所述目标体积量的液体，以获取成形后的椭球壳体。
可选的，所述成形前预制壳体来自两个不同的椭球，分别记为第一椭球和第二椭球，所述成形前预制壳体的上椭球壳和下椭球壳(第一段椭球壳)来自于所述第一椭球，所述成形前预制壳体的中间椭球壳(第二段椭球壳)来自于所述第二椭球，
Figure BDA0002258972610000034
λ1为第一椭球的轴长比，λ2为第二椭球的轴长比。
可选的，所述确定成形前预制壳体的体积计算模型，具体包括：将成形前预制壳体的体积计算模型确定为
Figure BDA0002258972610000031
其中，V0为成形前预制壳体的体积，a1为第一椭球半长轴的长度，a2为第二椭球半长轴的长度，α0为拉压应力分界角，
Figure BDA0002258972610000032
可选的，所述根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型，具体包括：
根据
Figure BDA0002258972610000033
确定体积差计算模型，其中，ΔV为成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差，λF为成形后椭球壳体的轴长比。
本发明还提供了一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制***，包括：
体积计算模型确定模块，用于确定成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体的体积计算模型，所述成形前预制壳体经过液体的加载后成形，得到所述成形后椭球壳体；所述成形前预制壳体关于其中心对称，且所述成形前预制壳体由多段椭球壳组成，多段椭球壳中具有来自不同椭球的椭球壳；
体积差计算模型确定模块，用于根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型；
成形后椭球壳体目标轴长尺寸获取模块，用于获取成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，所述目标轴长尺寸根据需求确定；
成形前预制壳体结构尺寸确定模块，用于根据成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，确定成形前预制壳体的结构尺寸；
目标体积量计算模块，用于将成形后椭球壳体的目标轴长尺寸以及成形前预制壳体的结构尺寸代入所述体积差计算模型，得到成形后椭球壳体与成形前预制壳体的体积差，记为目标体积量；
椭球壳制作模块，用于按照成形前预制壳体的结构尺寸制作成形前预制壳体，并向所述成形前预制壳体中注入体积为所述目标体积量的液体，以获取成形后的椭球壳体。
可选的，所述成形前预制壳体来自两个不同的椭球，分别记为第一椭球和第二椭球，所述成形前预制壳体的上椭球壳和下椭球壳(第一段椭球壳)来自于所述第一椭球，所述成形前预制壳体的中间椭球壳(第二段椭球壳)来自于所述第二椭球；
所述体积计算模型确定模块包括：
体积计算模型确定单元，用于将成形前预制壳体的体积计算模型确定为
Figure BDA0002258972610000041
其中，V0为成形前预制壳体的体积，a1为第一椭球半长轴的长度，λ1为第一椭球的轴长比，λ2为第二椭球的轴长比，a2为第二椭球半长轴的长度，α0为拉压应力分界角，
Figure BDA0002258972610000051
可选的，所述体积差计算模型确定模块，具体包括：
体积差计算模型确定单元，用于根据
Figure BDA0002258972610000052
确定体积差计算模型，其中，ΔV为成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差，λF为成形后椭球壳体的轴长比。
本发明还提供了一种用于本发明所述的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法的充液***，包括：
充液子***，用于向本发明所述的成形前预制壳体中注入液体；
流量计，用于对所述充液子***输出的液体流量进行计量；
控制子***，根据所述流量计的计量数据确定注入所述成形前预制壳体的液体体积，并在所述液体体积达到本发明所述的目标体积量时，控制所述充液子***停止充液。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法包括：确定成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体的体积计算模型，成形前预制壳体由多段椭球壳组成，多段椭球壳中具有来自不同椭球的椭球壳；根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型；获取成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，目标轴长尺寸根据需求确定；根据成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，确定成形前预制壳体的结构尺寸；将成形后椭球壳体的目标轴长尺寸以及成形前预制壳体的结构尺寸代入体积差计算模型，得到成形后椭球壳体与成形前预制壳体的体积差，记为目标体积量；按照成形前预制壳体的结构尺寸制作成形前预制壳体，并向成形前预制壳体中注入体积为目标体积量的液体，以获取成形后的椭球壳体。本发明通过控制注入液体的体积实现了椭球壳体的成形，与现有技术中椭球壳体的成形方法相比，本发明工艺简单，容易实施，成形时不需要考虑材料及壁厚差异(但现有的压力控制需要考虑)，壳体轴长尺寸精度可控可调，适合于现场制造大尺寸椭球容器。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例中基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法流程图；
图2为本发明又一实施例中基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法的流程图；
图3为本发明实施例椭球容器成形前双轴长比预制壳体结构示意图；
图4为本发明实施例成形后椭球容器的体积示意图；
图5为本发明实施例成形前双轴长比椭球预制壳体的体积示意图；
图6为本发明实施例基于液体体积加载的椭球壳液压成形***示意图；其中，1-双轴长比预制椭球壳；2-流量计；3-加压装置；4-水箱；5-控制***；6-椭球容器；
图7为本发明实施例成形前球心角θ选择大于拉压应力分界角α0的双轴长比预制壳体结构示意图；
图8为本发明实施例基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制***结构图。
具体实施方式
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。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。
本发明的目的是提供一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法及***，使得椭球容器的成形方法简单，使椭球容器的成形工艺简单，容易实施，成形时不需要考虑材料及壁厚差异，壳体轴长尺寸精度可控可调，适合于现场制造大尺寸椭球容器。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
为了解决现有技术中椭球容器制造存在的难题，本发明提出了基于液体体积加载的椭球容器整体无模液压成形方法。如图1所示，该方法包括：
步骤101：确定成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体的体积计算模型，成形前预制壳体经过液体的加载后成形，得到成形后椭球壳体；成形前预制壳体关于其中心对称，且成形前预制壳体由多段椭球壳组成，多段椭球壳中具有来自不同椭球的椭球壳；
步骤102：根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型；
步骤103：获取成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，目标轴长尺寸根据需求确定；
步骤104：根据成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，确定成形前预制壳体的结构尺寸；
步骤105：将成形后椭球壳体的目标轴长尺寸以及成形前预制壳体的结构尺寸代入体积差计算模型，得到成形后椭球壳体与成形前预制壳体的体积差，记为目标体积量；
步骤106：按照成形前预制壳体的结构尺寸制作成形前预制壳体，并向成形前预制壳体中注入体积为目标体积量的液体，以获取成形后的椭球壳体。
在实施例中，成形前预制壳体可以来自两个不同的椭球，分别记为第一椭球和第二椭球，成形前预制壳体的上椭球壳和下椭球壳(第一段椭球壳)来自于第一椭球，成形前预制壳体的中间椭球壳(第二段椭球壳)来自于第二椭球，
Figure BDA0002258972610000071
λ1为第一椭球的轴长比，λ2为第二椭球的轴长比。
其中，步骤101中成形前预制壳体的体积计算模型为：
Figure BDA0002258972610000072
其中，V0为成形前预制壳体的体积，a1为第一椭球半长轴的长度，a2为第二椭球半长轴的长度，α0为拉压应力分界角，
Figure BDA0002258972610000081
步骤102中成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型为
Figure BDA0002258972610000082
其中，ΔV为成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差，λF为成形后椭球壳体的轴长比。
实施例2
结合图2-图6说明，图2是本发明提供的一种基于液体体积控制的椭球壳体轴长尺寸控制方法的流程示意图，是按照以下步骤实现的：
步骤一、将轴长比大于
Figure BDA0002258972610000087
的目标椭球容器成形前的预制壳结构设计为双轴长比椭球壳体结构
为了防止轴长比大于的椭球容器液压成形过程中由于赤道纬向压应力产生起皱，根据专利ZL201310628487.3，进行成形前预制壳体的结构设计，液压成形前预制壳体结构采用双轴长比的椭球壳结构，如图3所示，其由轴长比分别为λ1和λ2的两段椭球壳构成，这两段椭球壳分界点P所对应球心角为拉压应力分界角α0。球心角大于分界角α0的部分由轴长比的第一段椭球壳组成，其长半轴长度为a1，短半轴长度为b1；球心角小于分界角α0的部分由轴长比
Figure BDA0002258972610000084
的第二段椭球壳组成，其长半轴长度为a2，短半轴长度为b2。α0由第一段椭球壳的轴长λ1确定，
Figure BDA0002258972610000085
步骤二、获取目标椭球容器内腔体积以及预制壳内腔体积，建立成形前后壳体体积变化关系模型
的双轴长比椭球预制壳体液压成形过程中，由于椭球壳各处曲率半径不同，使得两极部位先发生变形，随后壳体高纬度区域发生变形并逐渐扩展到赤道区域，赤道区域最后发生变形。成形过程中，壳体的长轴几乎不发生变化，即a2不变。随着注入壳体内液体体积的增加，内部液体压力提高，
Figure BDA0002258972610000091
的第一段椭球壳和
Figure BDA0002258972610000092
的第二段椭球壳在分界处逐渐圆弧化，而成形为单轴长比的椭球容器，轴长比为λF＝a2bF，其体积示意图如图4所示，体积表达式为：
Figure BDA0002258972610000093
对于成形前预制的双轴长比椭球壳体，其轴长比分别为λ1和λ2，拉压应力分界角为α0，其体积示意图如图5所示，通过理论推导可以得到该双轴长比椭球壳体积表达式：
Figure BDA0002258972610000094
通过公式2和3即可获得由双轴长比预制椭球壳成形为单轴长比椭球容器发生的体积变化量ΔV和体积变化率V'，如公式4和5所示：
Figure BDA0002258972610000095
Figure BDA0002258972610000096
步骤三、反求设计双轴长比椭球预制壳体结构参数以及体积变化率
由公式5可知，目标单轴长比椭球容器的轴长比λF是预制壳轴长比λ1和λ2以及体积变化率V'的函数，即λF＝f(λ1,λ2,V')。根据此关系式，在已知目标椭球容器尺寸λF的前提下，反求设计双轴长比椭球预制壳体结构参数，此时V'＝f(λ1,λ2)。将第二段椭球壳轴长比λ2设计为范围内的某一固定值，则体积变化率V'与第一段椭球壳轴长比λ1之间存在一一对应的关系，在保证λ1取值大于
Figure BDA0002258972610000101
的情况下可求得椭球壳体积变化率V'。因此，可利用步骤二中成形前后壳体体积变化关系模型，反求设计双轴长比椭球预制壳体结构参数。对于某一目标尺寸椭球容器，可设计不同的双轴长比预制壳，但其体积变化率V'会相应发生变化，即只要满足公式5中λF＝f(λ1,λ2,V')关系，可利用不同的双轴长比预制椭球壳成形同一目标椭球容器。
步骤四、确定液体体积增量
根据目标椭球容器的轴长尺寸(aF＝a2,bF)要求，按照公式2计算出最终目标椭球容器的体积V，结合步骤三中反求设计得到的体积变化率V'，根据公式5可得到成形前双轴长比椭球预制壳的体积V0，最后根据公式4可确定成形时所需的液体体积增量ΔV。此外，还可通过另一种方法确定液体体积增量，已知目标椭球容器的轴长尺寸(aF＝a2,bF)及其目标轴长比λF，步骤三中反求设计得到的一组双轴长比椭球壳参数λ1和λ2，其中a2与目标椭球壳的长轴尺寸相等。由第一段椭球壳轴长比λ1计算得到拉压应力分界角α0，求出分界角上的点(x0,y0)，带入第一段椭球壳公式可得到第一段椭球壳的长半轴长度a1。根据公式4，可以获得成形轴长比为λF椭球容器成形前后的体积变化量ΔV，即成形时所需的液体体积增量ΔV。
步骤五、向双轴长比预制壳体内注入液体，根据所述液体体积增量控制椭球壳的轴长尺寸，以成形轴长比大于
Figure BDA0002258972610000102
的椭球容器
通过加压装置3从水箱4内泵取液体，并向根据上述步骤设计的双轴长比预制椭球壳1内注入液体。注满后，通过流量计2和控制***5对成形时所需的液体体积增量进行控制，随着液体注入量的增加，所成形壳体内液体压力也不断升高，壳体发生塑性变形，后期当液体注入量达到步骤四计算的液体体积增量ΔV时，则完成液压成形，获得轴长比为λF的椭球容器6。成形过程中由于液体压力较低，且壳体尺寸越大，成形压力越低，因此，不需要考虑液体体积压缩问题。充液***中，液体体积的注入量通过流量计2来控制，当注入量达到设定值后，反馈给控制***5，停止充液，成形过程完成。
本实施方式通过建立椭球容器成形前后体积变化量的数学关系模型，在已知目标椭球容器轴长尺寸的基础上，可反求设计成形前双轴长比椭球预制壳的尺寸参数及体积变化率，通过对成形过程中注入壳体内部的液体体积进行控制，从而实现对所成形椭球容器轴长尺寸的控制。该方法有效解决了现有椭球容器液压成形工艺中通过控制液体压力控制成形的弊端，因为采用压力控制法，液体压力为多大时，椭球容器的轴长尺寸能达到所设计的精度要求是无法精确给出的。本发明工艺简单，容易实施，成形时不需要考虑材料及壁厚差异(现有的压力控制需要考虑)，壳体轴长尺寸精度可控可调，适合于现场制造大尺寸椭球容器。
实施例3：结合图2-图6说明本实施方式，本实施方式与实施例2的不同点在于：步骤三中根据目标椭球容器的长半轴长度aF，直接设计一组双轴长比预制壳参数λ1和λ2，使满足a2＝aF，
Figure BDA0002258972610000111
条件，带入公式5可看出体积变化率V'与最终目标椭球壳的轴长尺寸λF满足一一对应的函数关系λF＝f(V')。即对于同一双轴长比椭球预制壳体，液压成形中可通过控制体积变化率V'控制最终目标椭球容器的轴长尺寸λF。其他与实施例2相同。
实施例4：结合图7说明本实施方式，本实施方式与实施例2或实施例3的不同点在于：两段椭球壳分界点P所对应球心角θ选择大于拉压应力分界角α0的某一值，一般处于(α0+5°)范围。公式2～4中利用θ角计算目标椭球容器内腔体积以及预制壳内腔体积，体积变化率利用公式6进行计算。其他与具体实施例2或3相同。
Figure BDA0002258972610000112
下面结合具体示例进一步对本发明进行说明
示例1(与实施例2相对应)：椭球容器成形前预制壳体结构为双轴长比的椭球壳结构，如图3所示，其由轴长比分别为λ1和λ2的两段椭球壳构成，这两段椭球壳分界点P所对应球心角为拉压应力分界角α0。对于长半轴的长度为aF＝3000mm、短半轴的长度为bF＝2000mm的目标椭球壳，其轴长比为λF＝1.5，根据公式2，计算得出，液压成形后体积V为75.4m3。此外，将λF＝1.5带入公式5，可以获得V'＝f(λ1,λ2)关系如公式7所示，其中α0由第一段椭球壳的轴长λ1确定，见公式1。
Figure BDA0002258972610000121
根据公式7，对于λF＝1.5的目标椭球壳，可反求设计出多组成形前双轴长比椭球预制壳体参数及其相应的体积变化率，如表1所示。表1中仅给出第二段椭球壳的轴长比为λ2＝1.4时的双轴长比椭球预制壳的参数，及成形为λF＝1.5的目标椭球壳时发生的体积变化率。改变第二段椭球壳的轴长比时同样可设计出多个预制壳，以此类推。由上述可知，通过控制液压成形时注入椭球壳内部的液体体积，可由不同的双轴长比椭球预制壳成形为同一目标椭球壳。
现以表1中第一组双轴长比椭球预制壳(壳-1)为例，计算液压成形过程中的液体体积增量ΔV。根据公式3或公式5，计算得出，液压成形前体积为V0为44.90m3；根据公式4，计算得到液压成形过程中液体体积增量ΔV为30.50m3。液压成形时，首先向双轴长比椭球预制壳体内注入液体。注满后，通过流量计2和控制***5对成形时所需的液体增量进行控制。成形过程中，两极部位先发生变形，随后壳体高纬度区域发生变形并逐渐扩展到赤道区域，赤道区域最后发生变形，成形过程中，壳体的长轴几乎不发生变化。随着注入壳体内液体体积的增加，内部液体压力提高，
Figure BDA0002258972610000122
的第一段椭球壳和
Figure BDA0002258972610000123
的第二段椭球壳在分界处逐渐圆弧化，当液体注入量达到30.50m3，该双轴长比椭球预制壳成形为轴长比为λF＝1.5、长半轴和短半轴长度分别为3000mm和2000mm的单轴长比椭球容器。其他尺寸的双轴长比椭球预制壳成形原理与上述相同，仅成形时的液体体积增量不同。本实施例成形的椭球容器轴长尺寸精度相比压力控制法提高了10％。
表1
Figure BDA0002258972610000131
示例2(与实施例3相对应)：椭球容器成形前预制壳体结构为双轴长比的椭球壳结构，如图3所示，其由轴长比分别为λ1和λ2的两段椭球壳构成，这两段椭球壳分界点P所对应球心角为拉压应力分界角α0。对于长半轴的长度为aF＝3000mm的目标椭球壳，设计成形前双轴长比椭球预制壳的参数分别为λ1＝2.5和λ2＝1.4。由于成形过程中，壳体的长轴几乎不发生变化，即a2不变，a2＝aF＝3000mm，b2＝2143mm。当两段椭球壳的分界点P所对应球心角刚好为拉压应力分界角α0时，满足如下条件：
Figure BDA0002258972610000132
由公式8可以计算，当λ1＝2.5和λ2＝1.4，a2＝aF＝3000mm时，a1＝3530mm，b1＝1412mm。此外，由公式1可计算得到拉压应力分界角α0＝18.26°。将上述参数带入公式5可以得到体积变化率V'与最终目标椭球壳的轴长尺寸λF满足一一对应的函数关系λF＝f(V')，如公式9所示。
Figure BDA0002258972610000141
根据公式9，对于λ1＝2.5(a1＝3530mm，b1＝1412mm)和λ2＝1.4(a2＝aF＝3000mm，b2＝2143mm)的同一双轴长比椭球预制壳体，液压成形中可通过控制体积变化率V'控制最终目标椭球容器的轴长尺寸λF，如表2所示。
表2
现以表2中的目标容器3为例，若希望控制最终椭球容器的轴长比为λF＝1.6，则根据公式9计算得到成形过程中发生的体积变化率为37.92％，根据公式2，计算得出，液压成形后体积V为70.7m3。根据公式3或5，计算得出，液压成形前体积V0为51.3m3。根据公式4，计算得到液压成形过程中液体体积增量ΔV为19.4m3。液压成形时，首先向双轴长比椭球容器预制壳体内注入液体。注满后，通过流量计2和控制***5对成形时所需的液体体积增量进行控制。成形过程中，两极部位先发生变形，随后壳体高纬度区域发生变形并逐渐扩展到赤道区域，赤道区域最后发生变形，成形过程中，壳体的长轴几乎不发生变化。随着注入壳体内液体体积的增加，内部液体压力逐渐提高，
Figure BDA0002258972610000143
的第一段椭球壳和
Figure BDA0002258972610000144
的第二段椭球壳在分界处逐渐圆弧化，当液体注入量达到19.4m3，该双轴长比椭球预制壳成形为轴长比为λF＝1.6、长半轴和短半轴长度分别为3000mm、1875mm的单轴长比椭球容器。通过改变注入预制壳内部液体体积的增量，可获得不同轴长尺寸的椭球容器。本实施例成形的椭球容器轴长尺寸控制精度相比压力控制法提高了12％。
示例3(与实施例4相对应)：椭球容器成形前预制壳体结构为双轴长比的椭球壳结构，如图3所示，其由轴长比分别为λ1和λ2的两段椭球壳构成，这两段椭球壳分界点P所对应球心角θ选择大于拉压应力分界角α0的某一值，一般处于(α0+5°)范围。对于长半轴的长度为aF＝3000mm、短半轴的长度为bF＝2000mm的目标椭球壳，其轴长比为λF＝1.5，根据公式2，计算得出，液压成形后体积V为75.4m3。此外，将λF＝1.5带入公式5，可以获得V'＝f(λ1,λ2)关系如公式10所示，其中θ根据α0选定，a2＝aF＝3000mm。
Figure BDA0002258972610000151
由于成形过程中，壳体的长轴几乎不发生变化，即a2不变，a2＝aF＝3000mm。第一段和第二段椭球壳的公式如公式11所示。两段椭球壳的分界点P的坐标(x0,y0)满足y0＝tanθ×x0，将此坐标值带入公式11，在双轴长比λ1和λ2选定的情况下，可计算出第一段和第二段椭球壳的长半轴长度a1和a2的关系，如公式12所示。
Figure BDA0002258972610000152
Figure BDA0002258972610000153
根据公式10和12，对于λF＝1.5的目标椭球壳，可反求设计出多组成形前双轴长比椭球预制壳体参数及其相应的体积变化率，如表3所示。表3中仅给出第二段椭球壳的轴长比为λ2＝1.4，球心角θ＝20°时的双轴长比椭球预制壳的参数，及成形为λF＝1.5的目标椭球壳时发生的体积变化率。改变第二段椭球壳的轴长比或球心角时同样可设计出不同预制壳，以此类推。由上述可知，通过控制液压成形时注入椭球壳内部的液体体积，可由不同的双轴长比椭球预制壳成形为同一目标椭球壳。
表3
Figure BDA0002258972610000161
现以表3中第六组双轴长比椭球预制壳(壳-6)为例，计算液压成形过程中的液体体积增量ΔV。根据公式3或公式5，计算得出，液压成形前体积为V0为53.60m3；根据公式4，计算得到液压成形过程中液体体积增量ΔV为21.80m3。液压成形时，首先向双轴长比椭球预制壳体内注入液体。注满后，通过流量计2和控制***5对成形时所需的液体增量进行控制。成形过程中，两极部位先发生变形，随后壳体高纬度区域发生变形并逐渐扩展到赤道区域，赤道区域最后发生变形，成形过程中，壳体的长轴几乎不发生变化。随着注入壳体内液体体积的增加，内部液体压力提高，
Figure BDA0002258972610000171
的第一段椭球壳和
Figure BDA0002258972610000172
的第二段椭球壳在分界处逐渐圆弧化，当液体注入量达到21.80m3，该双轴长比椭球预制壳成形为轴长比为λF＝1.5、长半轴和短半轴长度分别为3000mm和2000mm的单轴长比椭球容器。其他尺寸的双轴长比椭球预制壳成形原理与上述相同，仅成形时的液体体积增量不同。本实施例成形的椭球容器轴长尺寸精度相比压力控制法提高了13％。
本发明还提供了一种用于本发明所述的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法的充液***，该充液***包括：
充液子***，用于向本发明所述的成形前预制壳体中注入液体；
流量计，用于对所述充液子***输出的液体流量进行计量；
控制子***，根据所述流量计的计量数据确定注入所述成形前预制壳体的液体体积，并在所述液体体积达到本发明所述的目标体积量时，控制所述充液子***停止充液。
本发明还提供了一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制***，如图8所示，该***包括：
体积计算模型确定模块801，用于确定成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体的体积计算模型，成形前预制壳体经过液体的加载后成形，得到成形后椭球壳体；成形前预制壳体关于其中心对称，且成形前预制壳体由多段椭球壳组成，多段椭球壳中具有来自不同椭球的椭球壳；
体积差计算模型确定模块802，用于根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型；
成形后椭球壳体目标轴长尺寸获取模块803，用于获取成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，目标轴长尺寸根据需求确定；
成形前预制壳体结构尺寸确定模块804，用于根据成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，确定成形前预制壳体的结构尺寸；
目标体积量计算模块805，用于将成形后椭球壳体的目标轴长尺寸以及成形前预制壳体的结构尺寸代入体积差计算模型，得到成形后椭球壳体与成形前预制壳体的体积差，记为目标体积量；
椭球壳制作模块806，用于按照成形前预制壳体的结构尺寸制作成形前预制壳体，并向成形前预制壳体中注入体积为目标体积量的液体，以获取成形后的椭球壳体。
在实施例中，成形前预制椭球壳体来自两个不同的椭球，分别记为第一椭球和第二椭球，成形前预制壳体的上椭球壳和下椭球壳(第一段椭球壳)来自于第一椭球，成形前预制壳体的中间椭球壳(第二段椭球壳)来自于第二椭球；
其中，体积计算模型确定模块包括：
体积计算模型确定单元，用于将成形前预制壳体的体积计算模型确定为
Figure BDA0002258972610000181
其中，V0为成形前预制壳体的体积，a1为第一椭球半长轴的长度，λ1为第一椭球的轴长比，λ2为第二椭球的轴长比，a2为第二椭球半长轴的长度，α0为拉压应力分界角，
Figure BDA0002258972610000182
Figure BDA0002258972610000183
体积差计算模型确定模块802，具体包括：
体积差计算模型确定单元，用于根据确定体积差计算模型，其中，ΔV为成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差，λF为成形后椭球壳体的轴长比。
本发明提出了一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法及***，通过建立椭球容器成形前后体积变化量的数学关系模型，对成形过程中注入壳体内部的液体体积进行控制，从而实现对所成形椭球容器轴长尺寸的控制。本发明工艺简单，容易实施，成形时不需要考虑材料及壁厚差异，壳体轴长尺寸精度可控可调，适合于现场制造大尺寸椭球容器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法，其特征在于，包括：
确定成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体的体积计算模型，所述成形前预制壳体经过液体的加载后成形，得到所述成形后椭球壳体；所述成形前预制壳体关于其中心对称，且所述成形前预制壳体由多段椭球壳组成，多段椭球壳中具有来自不同椭球的椭球壳；
根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型；
获取成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，所述目标轴长尺寸根据需求确定；
根据成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，确定成形前预制壳体的结构尺寸；
将成形后椭球壳体的目标轴长尺寸以及成形前预制壳体的结构尺寸代入所述体积差计算模型，得到成形后椭球壳体与成形前预制壳体的体积差，记为目标体积量；
按照成形前预制壳体的结构尺寸制作成形前预制壳体，并向所述成形前预制壳体中注入体积为所述目标体积量的液体，以获取成形后的椭球壳体。
2.根据权利要求1所述的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法，其特征在于，所述成形前预制壳体来自两个不同的椭球，分别记为第一椭球和第二椭球，所述成形前预制壳体的上椭球壳和下椭球壳(第一段椭球壳)来自于所述第一椭球，所述成形前预制壳体的中间椭球壳(第二段椭球壳)来自于所述第二椭球，
Figure FDA0002258972600000011
λ1为第一椭球的轴长比，λ2为第二椭球的轴长比。
3.根据权利要求2所述的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法，其特征在于，所述确定成形前预制壳体的体积计算模型，具体包括：将成形前预制壳体的体积计算模型确定为其中，V0为成形前预制壳体的体积，a1为第一椭球半长轴的长度，a2为第二椭球半长轴的长度，α0为拉压应力分界角，
Figure FDA0002258972600000013
4.根据权利要求3所述的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法，其特征在于，所述根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型，具体包括：
根据确定体积差计算模型，其中，ΔV为成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差，λF为成形后椭球壳体的轴长比。
5.一种基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制***，其特征在于，包括：
体积计算模型确定模块，用于确定成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体的体积计算模型，所述成形前预制壳体经过液体的加载后成形，得到所述成形后椭球壳体；所述成形前预制壳体关于其中心对称，且所述成形前预制壳体由多段椭球壳组成，多段椭球壳中具有来自不同椭球的椭球壳；
体积差计算模型确定模块，用于根据成形前预制壳体的体积计算模型以及成形后椭球壳体体积计算模型，确定成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差计算模型；
成形后椭球壳体目标轴长尺寸获取模块，用于获取成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，所述目标轴长尺寸根据需求确定；
成形前预制壳体结构尺寸确定模块，用于根据成形后椭球壳体的目标轴长尺寸，确定成形前预制壳体的结构尺寸；
目标体积量计算模块，用于将成形后椭球壳体的目标轴长尺寸以及成形前预制壳体的结构尺寸代入所述体积差计算模型，得到成形后椭球壳体与成形前预制壳体的体积差，记为目标体积量；
椭球壳制作模块，用于按照成形前预制壳体的结构尺寸制作成形前预制壳体，并向所述成形前预制壳体中注入体积为所述目标体积量的液体，以获取成形后的椭球壳体。
6.根据权利要求5所述的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制***，其特征在于，所述成形前预制壳体来自两个不同的椭球，分别记为第一椭球和第二椭球，所述成形前预制壳体的上椭球壳和下椭球壳(第一段椭球壳)来自于所述第一椭球，所述成形前预制壳体的中间椭球壳(第二段椭球壳)来自于所述第二椭球；
所述体积计算模型确定模块包括：
体积计算模型确定单元，用于将成形前预制壳体的体积计算模型确定为
Figure FDA0002258972600000031
其中，V0为成形前预制壳体的体积，a1为第一椭球半长轴的长度，λ1为第一椭球的轴长比，λ2为第二椭球的轴长比，a2为第二椭球半长轴的长度，α0为拉压应力分界角，
Figure FDA0002258972600000033
7.根据权利要求6所述的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制***，其特征在于，所述体积差计算模型确定模块，具体包括：
体积差计算模型确定单元，用于根据
Figure FDA0002258972600000034
确定体积差计算模型，其中，ΔV为成形前预制壳体与成形后椭球壳体的体积差，λF为成形后椭球壳体的轴长比。
8.一种用于权利要求1-4任一项所述的基于液体体积加载的椭球壳轴长尺寸控制方法的充液***，其特征在于，包括：
充液子***，用于向权利要求1-4中任一项所述的成形前预制壳体中注入液体；
流量计，用于对所述充液子***输出的液体流量进行计量；
控制子***，根据所述流量计的计量数据确定注入所述成形前预制壳体的液体体积，并在所述液体体积达到权利要求1-4任一项中所述的目标体积量时，控制所述充液子***停止充液。
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