CN104266080A

CN104266080A - 一种变壁厚的环形金属气瓶

Info

Publication number: CN104266080A
Application number: CN201410458951.3A
Authority: CN
Inventors: 许光; 王洪锐; 丁建春; 贺启林; 张翼; 满满; 廖传军
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: CN104266080B

Abstract

本发明提供了一种变壁厚环形金属气瓶，该金属气瓶包括上环部和下环部，上环部和下环部通过焊接的方式连接在一起，由此限定出环形金属气瓶内部的环形内腔。上环部或下环部的外环壁的顶部焊接有充气管嘴，并且充气管嘴连通至环形金属气瓶的内腔。金属气瓶内圈上的焊缝区域具有加厚区，并且加厚区所在部分的气瓶壁厚大于金属气瓶其它部分的壁厚。本发明中，通过在环形金属气瓶内圈应力较大区域的壁厚进行加厚，加厚区与其他区域的壁厚均匀过渡，使得在承载内压时气瓶整体应力分布均匀，以充分发挥各处材料的强度，最终降低气瓶的重量。

Description

一种变壁厚的环形金属气瓶

技术领域

本发明属于压力容器领域，具体地，涉及一种用于增压系统的环形金属气瓶。

背景技术

环形结构气瓶一般应用于比较特殊的场合，如在空间尺寸受到限制而不能使用球形或柱形气瓶的情况。

环形结构气瓶由于结构形式原因，在承载内压时气瓶内圈位置应力最大，而外圈处应力较小。常见的环形结构气瓶的壁厚为均匀的，这样一般根据应力最大的内圈位置进行壁厚设计，导致外圈壁厚超出实际使用要求，在承载时造成材料浪费，气瓶结构整体强度未得到充分发挥。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种变壁厚环形金属气瓶。通过改进气瓶壁厚，使气瓶在内压载荷下各区域应力分布均匀，材料的强度得到充分发挥，降低气瓶重量，应用于增压系统对质量要求很高的场合。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：

一种变壁厚环形金属气瓶，所述金属气瓶包括上环部和下环部，所述上环部和下环部通过焊接的方式连接在一起，在金属气瓶内部限定出用于容纳气体的环形内腔；所述上环部或下环部的外环壁的顶部焊接有充气管嘴，并且充气管嘴连通至环形金属气瓶的内腔；所述金属气瓶内圈上的焊缝区域具有加厚区，并且加厚区所在部分的气瓶壁厚大于金属气瓶其它部分的壁厚。

进一步地，所述金属气瓶的加厚区所在部分的气瓶壁厚t₁根据以下公式确定：

t_{1} = \frac{Pb}{2 f σ_{b}} \frac{2 a - b}{a - b},

上式中，P为设计爆破压力，a为回转截面中心的回转半径，b为气瓶最外圈位置的回转半径，f为焊缝系数，σ_b为材料的强度极限；

金属气瓶其它部分的壁厚t₂根据以下公式确定：

t_{2} = \frac{Pb}{2 σ_{b}} \frac{r + a}{r},

上式中，r为加厚区边缘位置的回转半径。

进一步地，所述加厚区的弧长为所述金属气瓶回转截面半径的40％－50％，并且应大于等于20mm。

与现有技术相比，根据本发明的变壁厚环形金属气瓶具备有益的技术效果：

本发明解决普通等壁厚环形气瓶在内压下应力分布不均，重量较大问题，通过壁厚优化设计，可使环形气瓶在内压下各区域材料强度得到充分发挥，降低气瓶的重量。

附图说明

图1为根据本发明的变壁厚环形金属气瓶的整体三维示意图；

图2(a)-图2(c)分别为根据本发明的变壁厚环形气瓶的上环部、下环部和充气管嘴的三维示意图；

图3a为根据本发明的变壁厚环形金属气瓶的回转截面图，图3b为图3a中的金属气瓶的A部的局部放大示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的变壁厚环形金属气瓶做进一步详细的说明。

如图1-图3(b)所示，根据本发明的环形金属气瓶包括上环部1和下环部2。上环部1和下环部2通过焊接的方式连接在一起，由此在金属气瓶内部限定出用于容纳气体的环形内腔。上环部1或下环部2的外环壁的顶部焊接有充气管嘴3，并且充气管嘴3连通至环形金属气瓶的内腔，环形金属气瓶的上环部、下环部和充气管嘴通过焊接方式连接。如附图1、图2(a)-图2(c)所示。

环形金属气瓶内圈上的焊缝区域具有加厚区，并且加厚区所在部分的气瓶壁厚大于金属气瓶其它部分的壁厚，焊缝区壁厚计算时应考虑焊缝系数的影响,焊缝系数根据材料及焊接方式确定。加厚区所在部分的气瓶壁厚t₁根据以下公式确定：

t_{1} = \frac{Pb}{2 f σ_{b}} \frac{2 a - b}{a - b}

上式中，P为设计爆破压力，a为回转截面中心的回转半径，b为气瓶最外圈位置的回转半径，f为焊缝系数，σ_b为材料的强度极限。

环形金属气瓶其它部分的壁厚t₂根据以下公式确定：

t_{2} = \frac{Pb}{2 σ_{b}} \frac{r + a}{r}

上式中，r为加厚区边缘位置的回转半径。

对等壁厚的环形旋转壳进行应力分析，获得回转截面各部分的应力分布，对内圈应力最高区域的壁厚进行加厚，使得应力分布比较均匀，考虑到加工难度、成本及焊接充气管嘴的需求，其余部位壁厚相同。再次计算得出在应力分布比较均匀情况下回转截面内圈及其余部位的壁厚。内圈焊缝区域壁厚在外表面进行加厚(即，增加的壁厚设置在内圈外表面)，以保持气瓶回转截面内表面为正圆，如图3(a)和图3(b)所示，这样有利于承载内压，并且易于加工。加厚区的弧长为回转截面半径值的40％～50％，并且一般应大于等于20mm。加厚区与其余区域的壁厚应均匀过渡。

将环形金属气瓶分为上环部、下环部和充气管嘴三个部分，以便于分别加工，最后整体焊接成型。环形金属气瓶上环部和下环部结构对称，以便于加工及焊接，但在上环部或下环部的外环壁需开孔，以焊接充气管嘴。为保证焊接质量，充气管嘴与外环壁焊接方式为对接焊，因此充气管嘴应带有适于与外环壁焊接的底座，如图3(a)和图3(b)所示。充气管嘴最好只设置一个，以保证气瓶焊缝数量最少，但根据需求可设置两个，呈180度布置。

环形金属气瓶一般选用钛合金、高强度钢等材料制造，上环部、下环部可通过板材冲压、机械加工成型，充气管嘴通过棒材机械加工成型。完成各零部件加工后，一般首先进行充气管嘴和上(下)环部焊接，最后进行上、下环部的焊接，这样焊接工艺流程最优化并易于进行充气管嘴处焊缝检测及修补。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种变壁厚环形金属气瓶，其特征在于，

所述金属气瓶包括上环部(1)和下环部(2)，所述上环部(1)和下环部(2)通过焊接的方式连接在一起，在金属气瓶内部限定出用于容纳气体的环形内腔；所述上环部(1)或下环部(2)的外环壁的顶部焊接有充气管嘴(3)，并且充气管嘴(3)连通至环形金属气瓶的内腔；

所述金属气瓶内圈上的焊缝区域具有加厚区，并且加厚区所在部分的气瓶壁厚大于金属气瓶其它部分的壁厚。

2.根据权利要求1所述的变壁厚环形金属气瓶，其特征在于，所述金属气瓶的加厚区所在部分的气瓶壁厚t₁根据以下公式确定：

t_{1} = \frac{Pb}{2 f σ_{b}} \frac{2 a - b}{a - b},

金属气瓶其它部分的壁厚t₂根据以下公式确定：

t_{2} = \frac{Pb}{2 σ_{b}} \frac{r + a}{r},

上式中，r为加厚区边缘位置的回转半径。

3.根据权利要求1所述的变壁厚环形金属气瓶，其特征在于，所述加厚区的弧长为所述金属气瓶回转截面半径的40％－50％，并且应大于等于20mm。