CN105179106A - 一种对接法兰补强结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液体推进剂贮箱技术领域，具体涉及一种对接法兰补强结构，解决了现有对接法兰焊缝承载能力差的技术问题。技术方案：在对接法兰和贮箱箱底的内表面增加了一个补强环，补强环的中心轴与对接法兰中心轴重合；补强环上表面与对接法兰和箱底的内表面贴合；在补强环外尖点和补强环内尖点分别通过补强环外环焊缝和补强环内环焊缝实现补强环与对接法兰和箱底的连接。技术效果：显著降低法兰焊缝处的应力，针对成品贮箱，以简单的补强结构，成熟焊接工艺，显著提高了贮箱产品的安全性。
Description
技术领域
本发明属于液体推进剂贮箱技术领域，具体涉及一种对接法兰补强结构。
背景技术
法兰是推进剂贮箱的一个重要组成部分，火箭飞行中所需要的推进剂、贮箱内的测量电缆、增压气体等都是通过法兰出入推进剂贮箱。目前推进剂贮箱多采用对接法兰结构，如图1和图2所示，这种结构由于将法兰焊缝布置于箱底开口处，在承受内压载荷时，法兰焊缝处应力较大，容易出现裂纹等影响结构承载能力的因素，是贮箱可靠性的潜在隐患。相对大型贮箱而言，法兰是其中的一个很小的部件，但是若其承载能力出现问题则整个贮箱将无法完成使命，造成的损失是巨大的。针对一个成品贮箱能否对其中的法兰焊缝找到一种补强措施，确保法兰在服役的过程中安全可靠是结构设计工作者必须面对的一个问题。因此，需要提出一种对接法兰补强结构，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于现有对接法兰结构焊缝易裂的技术问题，提供一种对接法兰补强结构。
实现本发明目的的技术方案：
一种对接法兰补强结构，其特征在于：在对接法兰和贮箱箱底的内表面增加了一个补强环，补强环的中心轴与对接法兰中心轴重合；补强环上表面与对接法兰和箱底的内表面贴合；在补强环外尖点和补强环内尖点分别通过补强环外环焊缝和补强环内环焊缝实现补强环与对接法兰和箱底的连接。
所述补强环上表面为曲面，补强环上表面的曲面形状与对接法兰和箱底的内表面一致.
所述补强环下表面为平面，该平面与补强环回转轴垂直。
所述补强环下表面与补强环内尖点的距离与箱底的厚度相等。
所述补强环下表面与补强环内尖点的距离为5～10mm。
所述补强环上表面的外环半径比对接法兰环缝形成的圆半径大10～50mm；补强环上表面与外沿的夹角为20°～40°。
所述补强环上表面的内环半径比对接法兰环缝形成的圆半径小10～50mm，补强环内沿与补强环上表面的夹角为20°～40°。
所述补强环外环焊缝位于内沿与对接法兰下表面夹角处，为三角形。
所述补强环内环焊缝位于外沿与箱底下表面夹角处，为三角形。
本发明的效果在于：
本发明通过对法兰焊缝认真分析，结合对焊缝材料性能、对接法兰传力路线的认识，针对现有对接法兰焊缝承载能力差的问题提出了一种对接法兰补强结构，显著降低法兰焊缝处的应力，针对成品贮箱，以简单的补强结构，成熟焊接工艺，显著提高了贮箱产品的安全性。与现有技术相比，
(1)通过对现有的对接法兰环缝处增加补强环，降低了法兰对接环缝处的应力，降低了对接法兰环缝处的最大塑性应变，显著提高了法兰对接环缝的承载能力，提高了贮箱的可靠性。
(2)对接法兰增强环结构简单，焊接工艺成熟，采用成熟工艺便可实施对接法兰补强。
(3)通过对对接法兰补强，可以使得大型贮箱结构弥补局部强度不足的现实问题，较比以往因为局部法兰强度不足而导致整箱报废的做法，能够显著的节省经费，缩短型号研制周期。
附图说明
图1为箱底及法兰示意图；
图2为对接法兰结构示意图；
图3为对接法兰补强环结构示意图；
图4为对接法兰与补强环焊接后结构示意图；
图5为补强前对接法兰应力分布图；
图6为补强后对接法兰应力分布图；
图7为补强前对接法兰塑性应变分布图；
图8为补强后对接法兰塑性应变分布图；
图9为补强前对接法兰对接环缝塑性应变分布图；
图10为补强后对接法兰对接环缝塑性应变分布图；
图11为补强环应力分布图；
图12为补强环塑性应变分布图；
图13为补强环缝塑性应变分布图。
图中，1-对接法兰，2-对接法兰环缝，3-箱底，4-补强环，5-补强环外环焊缝，6-补强环内环焊缝，7-补强环上表面，8-补强环下表面，9-补强环外尖点，10-补强环内尖点，11-内沿，12-外沿。
具体实施方式
下面以为例，结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本实施例在现有对接法兰1的基础上，提供了一种对接法兰补强结构。如图1和图2所示，现有对接法兰1与箱底3的开口焊接，形成对接法兰环缝2；如图3和图4所示，本实施例在对接法兰1和贮箱箱底3的内表面增加了一个补强环4，补强环的中心轴与对接法兰中心轴重合；补强环4上表面与对接法兰1和箱底3的内表面贴合；
如图3所示，补强环上表面7为曲面，补强环下表面8为平面；从补强环的轴向切面可以看出，其切面类似等腰梯形或楔形结构，上底边的长度大于下底边，即补强环上表面7的宽度大于补强环下表面8的宽度；由于补强环4轴向切面的上底面形成了两个尖角，因此将补强环上表面7内环称为补强环内尖点10，补强环上表面7外环称为补强环外尖点9，梯形的两条侧边分别称为补强环的内沿11和外沿12；
如图3所示，补强环上表面7的曲面形状与对接法兰1和箱底3的内表面一致，补强环上表面7与对接法兰1和箱底3的内表面贴合；
如图3所示，补强环下表面8为一平面，该平面与补强环4回转轴垂直，以使得补强环4在承载时其传力路线最简捷，以最大程度的提高补强环4的结构效率；
如图3所示，补强环下表面8与补强环内尖点10的距离H为5～10mm，以保证补强环4自身强度的同时，其刚度与对接法兰1、箱底3的刚度协调一致。
如图4所示，补强环上表面7的外环半径比对接法兰环缝2形成的圆半径大10～50mm；补强环上表面7与外沿12的夹角A(即外尖点处的夹角)为20°～40°，结合补强环下表面8与补强环内尖点10的距离H为5～10mm，当补强环4与对接法兰1、箱底3的内表面贴合时在补强环外尖点9附近形成了一个角焊天然开口，角焊时沿着补强环外沿9添加焊料，形成了一个如图4所示的补强环外环焊缝5，该焊缝的横截回转面为一近似的三角形，这种结构即能够使得补强环外沿12部分融化与箱底3构成一个整体，同时填料所形成的近似三角形增大了补强环4的承载面积，使得补强环4能够显著分担对接法兰环缝2所承受的载荷。
如图4所示，补强环上表面7的内环半径比对接法兰环缝2形成的圆半径小10～50mm，补强环内沿11与补强环上表面7的夹角B(即内尖点处的夹角)为20°～40°；结合补强环下表面8与补强环内尖点10的距离H为5～10mm，当补强环4与对接法兰1、箱底3的内表面贴合时形成了一个角焊天然开口，角焊时沿着补强环内沿11添加焊料，形成了一个如图4所示的补强环内环焊缝6，该焊缝的横截回转面为一近似的三角形，这种结构即能够使得补强环内沿11部分融化与对接法兰1构成一个整体，同时填料所形成的近似三角形增大了补强环4的承载面积，使得补强环4能够显著分担对接法兰环缝2所承受的载荷。
如图4所示，补强环上表面7与对接法兰1、箱底3的内表面贴合，在补强环外尖点处9和补强环内尖点处10通过补强环外环焊缝5和补强环内环焊缝6实现补强环与对接法兰1和贮箱箱底3的连接，显著提高了对接法兰环缝2的承载能力。
为了说明本实施例的对接法兰补强结构的优点，以某型号的推进剂贮箱箱底和对接法兰为例，进行数值分析。通过对比现有对接法兰的对接焊缝和采用本技术方案对对接法兰进行补强后对接焊缝的塑性应变来说明本实施例对接法兰补强结构的优势。
模型包括箱底3、对接法兰1和补强环4，模型对焊缝采用了焊接材料属性，而其它位置采用了箱底材料，考虑了对接法兰1与箱底3、补强环4与箱底3的焊缝。
补强前后，对接法兰1应力应变分布分别如图5和图6所示，对接法兰1塑性应变分布分别如图7和图8所示，对接法兰环缝2的焊缝应力和塑性应变分布如图9和图10所示。从图中可以看出，对接法兰环缝2最大塑性应变从4.03％降低至0.61％。补强后最大塑性应变0.97％，在补强环外环焊缝5区域。通过以上对比，说明补强环4增强了覆盖区域的刚度，对接法兰环缝2强度有明显增强作用。
补强环4的应力和塑性应变分布以及补强环焊缝塑性应变分布如图11～图13，最大值为0.39％，出现在补强环外环焊缝5上，强度满足要求。
总之，本发明针对现有的大型贮箱中的对接法兰提供了一种简捷的补强方式，对提高对接法兰环缝的承载能力有显著的作用，弥补了现有对接法兰结构在强度方面的不足，同时该结构采用了现有的工艺方法，在补强环加工、补强环与箱底、对接法兰的焊接上均采用现有工艺便可实施，使得该结构在工程实际应用中不存在困难，本发明以简捷的方案使得大型贮箱能够快速弥补不足，较比以往整箱报废的做法显然极大的节省了经费。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种对接法兰补强结构，其特征在于：在对接法兰(1)和贮箱箱底(3)的内表面增加了一个补强环(4)，补强环(4)的中心轴与对接法兰(1)中心轴重合；补强环上表面(7)与对接法兰(1)和箱底(3)的内表面贴合；在补强环外尖点(9)和补强环内尖点(10)分别通过补强环外环焊缝(5)和补强环内环焊缝(6)实现补强环(4)与对接法兰(1)和箱底(3)的连接。
2.如权利要求1所述的一种对接法兰补强结构，其特征在于：所述补强环上表面(7)为曲面，补强环上表面(7)的曲面形状与对接法兰(1)和箱底(3)的内表面一致。
3.如权利要求1所述的一种对接法兰补强结构，其特征在于：所述补强环下表面(8)为平面，该平面与补强环(4)回转轴垂直。
4.如权利要求1所述的一种对接法兰补强结构，其特征在于：所述补强环下表面(8)与补强环内尖点(10)的距离与箱底(3)的厚度相等。
5.如权利要求1所述的一种对接法兰补强结构，其特征在于：所述补强环下表面(8)与补强环内尖点(10)的距离为5～10mm。
6.如权利要求1所述的一种对接法兰补强结构，其特征在于：所述补强环上表面(7)的外环半径比对接法兰环缝(2)形成的圆半径大10～50mm；补强环上表面(7)与外沿(12)的夹角为20°～40°。
7.如权利要求1所述的一种对接法兰补强结构，其特征在于：所述补强环上表面(7)的内环半径比对接法兰环缝(2)形成的圆半径小10～50mm，补强环内沿(11)与补强环上表面(7)的夹角为20°～40°。
8.如权利要求1所述的一种对接法兰补强结构，其特征在于：所述补强环外环焊缝(5)位于内沿(11)与对接法兰(1)下表面夹角处，为三角形。
9.如权利要求1所述的一种对接法兰补强结构，其特征在于：所述补强环内环焊缝(6)位于外沿(12)与箱底(3)下表面夹角处，为三角形。
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