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一种验证外压球形容器临界载荷的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种验证外压球形容器临界载荷的装置。本装置包括圆柱形的筒体，筒体的两端设置为以下两种方式：筒体的一端通过焊接连接试验用外压球形容器的球壳作为端部，球壳的凹面设置为朝向筒体外侧，筒体的另一端焊接连接一个凸面向外的球形封头，所述筒体、球壳以及球形封头共同围成一个封闭的内腔；或者，筒体的两端均通过焊接连接试验用外压球形容器的球壳作为端部，两个球壳分别为第一球壳和第二球壳，第一球壳和第二球壳的凹面均设置为朝向筒体外侧，筒体、第一球壳以及第二球壳共同围成一个封闭的内腔。本发明具有结构简单、经济实用、测量准确等特点，可以用于验证外压球形容器的临界载荷，为外压球形容器的设计提供参考。
【专利说明】一种验证外压球形容器临界载荷的装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种验证外压球形容器临界载荷的装置。

【背景技术】
[0002] 近年来，多行业为开展模拟太空、真空环境条件下的各类防热试验和空气动力学 试验，需建造大量承受外压载荷的大型容器。其中，与圆柱形容器相比，球形容器因具有试 验精度高、连贯性好、占地面积小、节省材料等优点，是大型外压容器的常用选择方案。
[0003] 工程上，为保证大型外压球形容器的强度和稳定性，通常会在球壳表面设置不同 型式不同疏密的第二加强筋。然而，当前容器设计标准GB 150-2011《压力容器》中仅给出 表面光滑（不设第二加强筋）的球壳计算公式，并未涉及表面带第二加强筋的球壳的外压 设计。对于表面带第二加强筋的球形容器，为确定其临界外压载荷，一般采用的理论分析方 法有两种，分别是线性的特征值屈曲分析（特征小挠度解）和非线性有限元分析，其得到的 临界载荷结果差异较大，仍需通过实物试验进行验证。
[0004] 中国专利文献CN 102426142 A公开了一种"管材外压变形的力学实验系统装置及 实验方法"，装置的储液罐与安全阀连接，安全阀与压缩机、加压阀连接，储液罐与泄压阀、 过滤器连接，加压阀与压缩机连接，泄压阀、加压阀与高压仓连接，高压仓体内腔置有试样 管材，两端连接端盖，端盖通过密封压环、密封圈、密封圈支环与高压仓体连接。实验步骤： 关闭泄压阀及打开加压阀，向储液罐加入液体，打开排气口，关闭排液管，电动机带动压缩 机工作，液体由储液罐被压入高压仓体中，继续增压，观察数据记录器，当压力接近管材屈 服变形时，降低增压速度，当压力突然下降时即为管材失稳破坏应力。
[0005] 中国专利文献CN 102564859 A公开了一种"外压容器失稳试验装置"，它包括：筒 体、试验架、法兰、法兰盖、压盖、排气阀、安全阀、数字显示压力表、计算机、压力源、缓冲罐 排水阀、筒体排水阀、缓冲罐和压力传感器；工作时，向筒体内加压，可测出待测容器仅在周 向均布外压作用下或者在周向外压及轴向载荷联合作用下的失稳试验数据。
[0006] 上述已申请公开的发明专利均针对承受外压的圆柱形容器或圆柱形管材，并未涉 及球形容器的外压临界载荷确定。若对球形容器整体进行外压试验，则人力、材料耗费巨 大，不满足经济性要求。


【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、经济实用、测量 准确的验证外压球形容器临界载荷的装置。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0009] -种验证外压球形容器临界载荷的装置，本装置包括圆柱形的筒体，筒体上分别 设置有进液口和排液口；所述筒体的两端设置为以下两种方式：
[0010] 筒体的一端通过焊接连接试验用外压球形容器的球壳作为端部，所述球壳的凹面 设置为朝向筒体外侧，筒体的另一端焊接连接一个凸面向外的球形封头，所述筒体、球壳以 及球形封头共同围成一个封闭的内腔；
[0011] 或者，筒体的两端均通过焊接连接试验用外压球形容器的球壳作为端部，两个球 壳分别为第一球壳和第二球壳，第一球壳和第二球壳的凹面均设置为朝向筒体外侧，所述 筒体、第一球壳以及第二球壳共同围成一个封闭的内腔。
[0012] 同时，本发明还可以通过以下技术措施得以进一步实现：
[0013] 优选的，所述球壳与筒体之间采用全焊透结构。
[0014] 优选的，所述球壳的凸面一侧在靠近所述筒体的连接处设有第一加强筋，所述第 一加强筋呈圆环状，且圆环状的第一加强筋与所述球壳同心设置。
[0015] 优选的，本装置还包括一个凸面朝向筒体内侧的球形堵头，所述堵头用于筒体两 端均焊接有球壳的加压试验中，当两个球壳中的一个先到达失稳后，所述堵头封焊在筒体 的失稳球壳的一端以使得加压试验进一步进行。
[0016] 优选的，圆环状的第一加强筋所包围的区域即为球壳测试区域；所述球壳测试区 域中设有环状或条状的第二加强筋。
[0017] 优选的，圆环状的第一加强筋所包围的区域即为球壳测试区域；所述第一球壳的 球壳测试区域为光面状，第二球壳的球壳测试区域中设有环状或条状的第二加强筋。
[0018] 进一步的，环状的所述第二加强筋与所述第一加强筋同心设置。
[0019] 进一步的，所述第一加强筋或第二加强筋的横截面为"T"字形或"工"字形。
[0020] 进一步的，所述第一球壳和第二球壳的厚度相异。
[0021] 本发明的原理和有益效果如下：
[0022] 1)、本发明中的装置仅包括圆柱形筒体和试验用外压球形容器的球壳，且球壳设 置为凸面朝向筒体内侧，则在进行液体加压试验时，液压作用于球壳凸面，形成外压工况条 件。因此采用本装置无需对整个球形容器进行试验，整体结构简单，能大幅节约材料，经济 效果显著。
[0023] 2)、试验用所述球壳的凹面向外、凸面向内，且所述球壳在其凸面一侧与圆柱形筒 体的连接处设有圆环状的第一加强筋，则在进液加压时，第一加强筋能有效地消除球壳与 筒体连接部位的边缘应力的影响，保证了试验用所述球壳的所受载荷条件与实际外压工况 相近似；同时还能避免在加压试验过程中，因为焊接部位几何不连续处的局部应力过大而 提前发生失效，从而不能有效测出试验用球壳的临界载荷。本装置中的结构方式使得临界 载荷的测量结果准确可靠。
[0024] 3)、本装置可以在圆柱形筒体的两端通过焊接连接两个试验用外压球形容器的球 壳作为端部，其包括但不限于几种结构：
[0025] a、第一球壳和第二球壳的厚度不同，二者的凸面均为表面不设第二加强筋的光滑 球壳；
[0026] b、第一球壳和第二球壳的厚度相同，第一球壳的凸面不设第二加强筋，第二球壳 的凸面设有第二加强筋；
[0027] c、第一球壳和第二球壳的厚度不同，第一球壳的凸面不设第二加强筋，第二球壳 的凸面设有第二加强筋；
[0028] d、第一球壳和第二球壳的厚度相同，第一球壳的凸面设有环状第二加强筋，第二 球壳的凸面设有条状第二加强筋；
[0029] e、第一球壳和第二球壳的厚度不同，第一球壳的凸面设有环状第二加强筋，第二 球壳的凸面设有条状第二加强筋。
[0030] 因此，本装置可以通过一次试验就分别测得两个凸面结构不同的试验用所述球壳 的临界外压载荷，试验过程简洁、高效。
[0031] 4)、本装置中，所述球壳与筒体之间的焊接采用全焊透结构，这种全焊透的焊接方 式可有效保证圆柱形筒体与球壳的连接强度，并能够防止试验时液体渗漏的现象发生。
[0032] 5)、本装置中的第二加强筋的横截面包括但不限于"T"字形以及"工"字形，也即 本装置可以针对多种第二加强筋分别进行进液加压试验，因此本装置可以用于综合比较不 同表面结构的试验用所述球壳的抗外压失稳能力。

【专利附图】

【附图说明】
[0033] 图1为筒体一端设有球壳、另一端设有球形封头的结构示意图。
[0034] 图2为图1的A-A剖面结构示意图。
[0035] 图3为图1中球壳凸面仅设有第一加强筋的结构示意图。
[0036] 图4为图1中球壳凸面设有第一加强筋和第二加强筋的结构不意图。
[0037] 图5为筒体两端分别设有不同厚度的试验用所述球壳的结构示意图。
[0038] 图6为图5的A-A剖面结构示意图。
[0039] 图7为图5的B-B剖面结构示意图。
[0040] 图8为图5的C部放大图。
[0041] 图9为筒体两端分别设有不同厚度的试验用所述球壳，其中一个球壳上仅设有第 一加强筋，另一个球壳上设有第一加强筋和第二加强筋的结构不意图。
[0042] 图10为图9的A-A剖面结构示意图。
[0043] 图11为图9的B-B剖面结构示意图。
[0044] 图12为筒体两端分别设有不同厚度的试验用所述球壳，两个球壳上均设有第一 加强筋和第二加强筋的结构示意图。
[0045] 图13为图12的A-A剖面结构示意图。
[0046] 图14为图12的B-B剖面结构示意图。
[0047] 图15为堵头的结构示意图。
[0048] 图16为两端均设有球壳的筒体在一端球壳失稳后加设球形堵头的结构示意图。
[0049] 图中的附图标记的含义如下：
[0050] 10-筒体11 一排液口 12-进液口 13-封头
[0051] 20一球壳测试区域21-第一球壳22-第二球壳
[0052] 30-第一加强筋30A-第一加强筋I 30B-第一加强筋II
[0053] 40一第二加强筋41 一环状第二加强筋42-条状第二加强筋
[0054] 50-堵头

【具体实施方式】
[0055] 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。
[0056] 实施例1
[0057] 参见图1，本实施例中的装置结构为：筒体10的一端设有第一球壳21，另一端设有 球形封头13,第一球壳21的凸面上设有环状的第一加强筋30,如图3所示，第一加强筋30 所包围的区域即为球壳测试区域20。
[0058] 球壳测试区域20可以设置为如图3所示的光滑的球面状。
[0059] 球壳测试区域20中也可以设置有条状的第二加强筋40,如图4所示，所述条状的 第二加强筋40设置有3条。
[0060] 实施例2
[0061] 如图5?7所示，本实施例中的装置结构为：筒体10的一端设有第一球壳21，另 一端设有第二球壳22 ;第一球壳21和第二球壳22的厚度不同；第一球壳21的凸面上设有 环状的第一加强筋I 30A，第二球壳22的凸面上设有环状的第一加强筋II 30B。
[0062] 如图8所示，第一球壳21与筒体10之间采用全焊透结构。
[0063] 实施例3
[0064] 如图9?11所示，本实施例中的装置结构为：筒体10的一端设有第一球壳21，另 一端设有第二球壳22 ;第一球壳21和第二球壳22的厚度不同；第一球壳21的凸面上设有 环状的第一加强筋I 30A，第二球壳22的凸面上设有环状的第一加强筋II 30B，且第一加强 筋II 30B围成的球壳测试区域20中设有3道条状分布的第二加强筋40。
[0065] 实施例4
[0066] 如图12?14所示，本实施例中的装置结构为：筒体10的一端设有第一球壳21， 另一端设有第二球壳22 ;第一球壳21和第二球壳22的厚度不同；第一球壳21的凸面上设 有环状的第一加强筋I 30A，第二球壳22的凸面上设有环状的第一加强筋II 30B ;第一加强 筋I 30A围成的球壳测试区域20中设有2个同心的环状第二加强筋41，第一加强筋II 30B 围成的球壳测试区域20中设有3道条状第二加强筋42。
[0067] 在实施例2?4中，在本装置进行进液加压试验时，当第一球壳21和第二球壳22 中的一个先到达失稳后，可以使用球形堵头50封焊在筒体10的失稳球壳的一端以使得加 压试验进一步进行，球形堵头50如图15所示。
[0068] 如图16所示，随着进液压力的提升，假定第一球壳21先失稳，此时立刻暂停试验， 则此时筒体10内的液体压力即为第一球壳21的临界失稳外压。然后，在圆柱形筒体10的 失稳端采用全焊透结构焊接上配套堵头32,并使堵头32的凸面朝向第一球壳21的凹面一 侦牝用以抵住并固定已经发生失效的第一球壳21，使其可继续承压；再继续加压试验，直至 圆柱形筒体10另一端的第二球壳22也发生失稳，则此时圆筒内的液体压力即为另一端第 二球壳22所对应的临界外压载荷。
【权利要求】
1. 一种验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于：本装置包括圆柱形的筒体 (10)，筒体（10)上分别设置有进液口（12)和排液口（11);所述筒体（10)的两端设置为以 下两种方式： 筒体（10)的一端通过焊接连接试验用外压球形容器的球壳作为端部，所述球壳的凹 面设置为朝向筒体（10)外侧，筒体（10)的另一端焊接连接一个凸面向外的球形封头（13)， 所述筒体（10)、球壳以及球形封头（13)共同围成一个封闭的内腔； 或者，筒体（10)的两端均通过焊接连接试验用外压球形容器的球壳作为端部，两个球 壳分别为第一球壳（21)和第二球壳（22)，第一球壳（21)和第二球壳（22)的凹面均设置为 朝向筒体（10)外侧，所述筒体（10)、第一球壳（21)以及第二球壳（22)共同围成一个封闭 的内腔。
2. 根据权利要求1所述的验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于：所述球壳 与筒体（10)之间采用全焊透结构。
3. 根据权利要求1所述的验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于：所述球壳 的凸面一侧在靠近所述筒体（10)的连接处设有第一加强筋（30)，所述第一加强筋（30)呈 圆环状，且圆环状的第一加强筋（30)与所述球壳同心设置。
4. 根据权利要求1所述的验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于：本装置还 包括一个凸面朝向筒体内侧的球形堵头（50)，所述堵头（50)用于筒体（10)两端均焊接有 球壳的加压试验中，当两个球壳中的一个先到达失稳后，所述堵头（50)封焊在筒体（10)的 失稳球壳的一端以使得加压试验进一步进行。
5. 根据权利要求3所述的验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于：圆环状的 第一加强筋（30)所包围的区域即为球壳测试区域；所述球壳测试区域中设有环状或条状 的第二加强筋（40)。
6. 根据权利要求3所述的验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于：圆环状的 第一加强筋（30)所包围的区域即为球壳测试区域；所述第一球壳（21)的球壳测试区域为 光面状，第二球壳（22)的球壳测试区域中设有环状或条状的第二加强筋（40)。
7. 根据权利要求5或6所述的验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于：环状 的所述第二加强筋（40)与所述第一加强筋（30)同心设置。
8. 根据权利要求3或5或6所述的验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于： 所述第一加强筋（30)或第二加强筋（40)的横截面为"T"字形或"工"字形。
9. 根据权利要求1?6任一项所述的验证外压球形容器临界载荷的装置，其特征在于： 所述第一球壳（21)和第二球壳（22)的厚度相异。
【文档编号】G01N3/12GK104215514SQ201410401261
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】陈永东, 江慧丰, 李永泰, 吴晓红, 郭春光, 周兵, 刘孝根 申请人:合肥通用机械研究院