CN111252186A - 一种深海环形耐压壳及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海环形耐压壳及其制造方法，环形耐压壳包括若干耐压壳本体，若干耐压壳本体顺次连接拼接形成封闭环状结构，前述的耐压壳本体呈纺锤形；在由若干耐压壳本体连接形成的封闭环状结构上均匀套设若干环形工装；在其中一个耐压壳本体的表面开设空槽，空槽上覆设舱门，舱门与耐压壳本体铰接；本发明环形耐压壳的抗压性能较佳，制造难度降低，同时保证了壳体较优的力学性能。

Description

一种深海环形耐压壳及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种深海环形耐压壳及其制造方法，属于潜水器领域。

背景技术

随着浅海领域不断的研究，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，耐压壳作为潜水器的重要组成部分，能够满足潜水员在水下的生活和工作的需要以及设备的正常运作，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。

传统的耐压仓，通常如申请号为201510073803.4公开的一种深海仿生耐压壳体，由左端封头、右端封头和中部壳体构成一长度为L、宽度为B、旋转半径为R(x)的轴对称蛋壳形结构，其中，所述中部壳体的厚度t2为等强度变厚结构，所述左端封头的厚度t1和右端封头的厚度t3分别为等厚结构，所述左端封头与中部壳体为固定连接，所述右端封头与中部壳体通过法兰螺栓或者带有密封圈的活动舱盖相连接；但是其曲率较小，抗压性能一般，即使是在耐压壳表面加肋用以提高抗压强度，但是加强肋与环形耐压壳之间的焊接容易导致耐压壳变形，导致制造精度降低，另外还会使得材料的力学性能在生产过程中没有得到充分利用，综上目前公知的耐压壳技术普遍是通过模压成型的外轮廓多为瓜瓣或者弧面，其焊接时直接导致焊接残余应力大、不易焊透、成形精度低，且开模成本高、周期长、制造难度高，表面质量低。

发明内容

本发明提供一种深海环形耐压壳及其制造方法，环形耐压壳的抗压性能较佳，制造难度降低，同时保证了壳体较优的力学性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种深海环形耐压壳，包括若干耐压壳本体，若干耐压壳本体顺次连接拼接形成封闭环状结构，前述的耐压壳本体呈纺锤形；

在由若干耐压壳本体连接形成的封闭环状结构上均匀套设若干环形工装；

在其中一个耐压壳本体的表面开设空槽，空槽上覆设舱门，舱门与耐压壳本体铰接；

作为本发明的进一步优选，前述的耐压壳本体为内部中空的六面体结构，其侧壁沿着径向向四周膨大，且六面体结构沿着中轴线向两端直径逐渐减小，呈纺锤状；

作为本发明的进一步优选，前述的环形工装包括对称设置的两个半圆形结构，在每个耐压壳本体的两端分别设置壳体凹槽，环形工装套设在相邻耐压壳本体的壳体凹槽上，相邻的半圆形结构端部通过螺栓、螺母进行固定；

作为本发明的进一步优选，耐压壳本体表面开设空槽，空槽上焊接固定加强框，铰接结构的铰接端固定在加强框一侧，舱门一侧固设在铰接端上；

作为本发明的进一步优选，在舱门表面开设若干圆形凹槽，每个圆形凹槽内嵌设锁紧阀门；在加强框凹槽内嵌设密封圈；

作为本发明的进一步优选，前述的舱门为拱形结构，在舱门表面开设三个圆形凹槽，以穿过拱形舱门中心且与封闭环形结构径向平行的直线为中心线，其中两个圆形凹槽以中心线对称布设，且两个圆形凹槽靠近舱门的侧边，第三个圆形凹槽设置在中心线上，且第三个圆形凹槽靠近远离铰接端的侧边；

作为本发明的进一步优选，在舱门的表面均匀布设若干加强肋，加强肋沿着封闭环状结构的径向方向延伸；

一种深海环形耐压壳的制造方法，包括以下步骤：

第一步：切割，根据所需制造的环形耐压壳初始环状结构的三维模型，推算出待切割板材的尺寸，进行待切割板材选取；

第二步：辊弯，对选取的待切割板材实施切割，切割完成后进行辊弯操作；

第三步：毛坯焊接装配，将辊弯后的板材先进行点焊，再进行缝焊，最终形成六面体，若干六面体顺次焊接固定形成封闭环状结构，在其中一个六面体的一个面上进行切割并焊接注水口；

第四步：首次胀形，向注水口注水，直至封闭环形结构向四周壁膨胀，六面体的膨胀截面呈圆形截面；

第五步：组装环形工装，将环形工装对称设置的两个半圆形结构套设在相邻两个耐压壳本体连接处的壳体凹槽上，对称设置的两个半圆形结构通过螺栓、螺母紧固；

第六步：二次胀形，向注水口再次注水，直至单个六面体结构侧壁沿着径向向四周膨大，同时沿着中轴线向两端直径逐渐减小，形成纺锤状；

第七步：割舱门，使用切割机将注水口切割，切割后形成空槽；

第八步：焊接加强框，将加强框焊接在空槽上；

第九步：组装舱门，铰接结构的铰接端固定在加强框一侧，舱门一侧固设在铰接端上，将密封圈嵌入加强框凹槽内，在舱门表面开设若干圆形凹槽，闭合舱门，锁紧安装在圆形凹槽内的锁紧阀门；

作为本发明的进一步优选，第一步中，根据所需制造的环形耐压壳初始环状结构的三维模型，直接得到扇环大半径、扇环小半径以及扇环宽度，根据三角形相似原理，即

可知

同时R₂＝R₁+l，通过扇形角度计算可知，

其中，R₁为板材大半径，R₂为板材小半径，r₁为扇环小半径，r₂为扇环大半径，α为板材的角度，l为扇环宽度，最终获取板材大半径、板材小半径以及板材角度；

作为本发明的进一步优选，前述的舱门为拱形结构，在舱门表面开设三个圆形凹槽，以穿过拱形舱门中心且与封闭环形结构径向平行的直线为中心线，其中两个圆形凹槽以中心线对称布设，且两个圆形凹槽靠近舱门的侧边，第三个圆形凹槽设置在中心线上，且第三个圆形凹槽靠近远离铰接端的侧边

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用纺锤形的耐压壳本体，与传统环形耐压壳相比，环向曲率增大，抗压能力得到有效提升；

2、本发明舱门采用拱形加肋结构，与平板式舱门结构相比，抗压性能、材料利用率均得到提高；

3、本发明封闭环状结构套设环形工装的做法与传统有肋环壳相比，无焊接工艺，减少了焊接变形的风险，使得制造精度得以提高；

4、本发明采用无模成型的方式进行制造，无需单独开设成型模具，减低了制造成本以及制造难度，缩短周期，提高了表面质量；同时利用无模内压成型原理，壳体力学分布更加均匀，焊接残余应力有效释放，初始几何缺陷大大减小，材料屈服强度提高，进而提高抗压能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的优选实施例的舱门结构示意图；

图3是本发明的优选实施例的舱门俯视图；

图4是本发明图3舱门俯视图中A向剖视图；

图5是本发明图3舱门俯视图中B向剖视图；

图6是本发明的优选实施例耐压壳本体结构示意图；

图7是本发明的优选实施例耐压壳本体的轮廓曲线俯视图；

图8是本发明图7中曲线截距与角度关系示意图；

图9是本发明优选实施例的深海环形耐压壳的制造工艺流程图；

图10是本发明优选实施例制造工艺流程第一步切割板材示意图；

图11是本发明优选实施例制造工艺流程第二步辊弯示意图；

图12是本发明优选实施例制造工艺流程第三步毛坯焊接装配示意图，其中，12a为剖视图，12b为整体结构；

图13是本发明优选实施例制造工艺流程第四步首次胀形示意图，其中，13a为首次胀形后的剖视图，13b首次胀形后的整体结构；

图14是本发明优选实施例制造工艺流程第五步组装环形工装示意图，其中14a为环形工装的结构示意图，14b为环形工装组装后的整体结构示意图；

图15是本发明优选实施例环形工装与耐压壳体本体位置关系示意图；

图16是本发明优选实施例制造工艺流程第六步二次胀形示意图；

图17是本发明优选实施例制造工艺流程第七步割舱门示意图；

图18是本发明优选实施例制造工艺流程第八步焊接加强框示意图；

图19是本发明优选实施例制造工艺流程第九步组装舱门示意图。

图中：1为封闭环状结构，2为舱门，3为锁紧阀门，4为加强肋，5为铰接结构，6为加强框，7为环形工装，8为螺栓，9为螺母，10为密封圈，11为注水口，101为耐压壳本体101面，102为耐压壳本体102面，103为耐压壳本体103面，104为耐压壳本体104面，104为耐压壳本体104面，105为耐压壳本体105面，106为耐压壳本体106面。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

目前公知的用于深海领域的耐压壳存在如下缺陷：传统环形耐压壳曲率较小，抗压性能一般；加肋后的环形耐压壳虽然抗压强度有所提高，但是加强肋与环形耐压壳之间的焊接容易导致耐压壳焊接变形；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；传统加工方法中的模压成型的外轮廓多为瓜瓣或者弧面，焊接时，焊接残余应力大、不易焊透、成型精度低，且开模成本高、周期长、制造难度高以及表面质量低；基于上述缺陷，本申请提出了一种新型结构的深海环形耐压壳，包括若干耐压壳本体，若干耐压壳本体顺次连接拼接形成封闭环状结构，前述的耐压壳本体呈纺锤形。

实施例1：

图1所示是本申请给出的一个优选实施例，具体的，耐压壳本体为内部中空的六面体结构，其侧壁沿着径向向四周膨大，且六面体结构沿着中轴线向两端直径逐渐减小，呈图6所示的纺锤状；本申请提出的深海环形耐压壳包括若干耐压壳本体，若干耐压壳本体顺次连接拼接形成封闭环状结构1，将连续的环形结构离散成若干正高斯回转壳，会使得壳体曲率大大增大，从而大大提高抗压性能，这在后面会做一个实验进行验证；

选取其中一个耐压壳本体，将其六个面分别定义成耐压壳本体101面、耐压壳本体102面、耐压壳本体103面、耐压壳本体104面、耐压壳本体104面、耐压壳本体105面以及耐压壳本体106面，以图1所示的优选实施例摆放的方向示意，耐压壳本体101面为与地面相反的一侧，在此侧开设空槽，空槽上覆设舱门2，空槽上焊接固定加强框6，铰接结构5的铰接端固定在加强框6一侧，舱门2一侧固设在铰接端上，图2所示，在舱门2表面开设三个圆形凹槽，图3所示，以穿过拱形舱门2中心且与封闭环形结构径向平行的直线为中心线，其中两个圆形凹槽以中心线对称布设，且两个圆形凹槽靠近舱门2的侧边，第三个圆形凹槽设置在中心线上，且第三个圆形凹槽靠近远离铰接端的侧边，图4所示是本发明图3舱门2俯视图中A向剖视图，从图中可以明显看出舱门2为拱形结构，图5所示是本发明图3舱门2俯视图中B向剖视图，在舱门2的表面均匀布设若干加强肋4，加强肋4沿着封闭环状结构1的径向方向延伸；舱门2采用拱形加肋结构，与平板式的舱门2结构比较起来，抗压性能得到了提高，同时材料的利用率得到了提高。

图1所示，还包括在由若干耐压壳本体连接形成的封闭环状结构1上均匀套设的若干环形工装7，环形工装7包括对称设置的两个半圆形结构，在每个耐压壳本体的两端分别设置壳体凹槽，环形工装7套设在相邻耐压壳本体的壳体凹槽上，相邻的半圆形结构端部通过螺栓8、螺母9进行固定；此设置与传统有肋环壳比较起来，无焊接工艺，减少了焊接变形，提高了制造精度；同时因为环形工装7的设置，使得抗压性能得到了提高。

最后我们可以进行一个验证，以此更加直观的说明通过上述实施例1可以改善曲率，图6-图8所示，图7为单个耐压壳本体外轮廓曲线俯视图，定义图6所示的单个纺锤形的耐压壳本体在

到

范围内的截距r(θ)满足图8所示的函数关系，当θ＝0时，环形耐压壳截距r(θ)取得最大值r_max，当

或

时，环形耐压壳截距r(θ)取得最小值r_min，也就是说较于原环形耐压壳固定截距r_min，本发明中的环形耐压壳截距r(θ)增加，证明了曲率增大，由此可以获知提高了抗压性。

实施例2：

本申请同时提供一种图9所示深海环形耐压壳的制造方法，包括以下步骤：

第一步：切割，根据所需制造的环形耐压壳初始环状结构的三维模型，推算出待切割板材的尺寸，进行待切割板材选取；

具体的，图10-图11所示，根据所需制造的环形耐压壳初始环状结构的三维模型，直接得到扇环大半径、扇环小半径以及扇环宽度，根据三角形相似原理，即

可知

同时R₂＝R₁+l，通过扇形角度计算可知，

其中，R₁为板材大半径，R₂为板材小半径，r₁为扇环小半径，r₂为扇环大半径，α为板材的角度，l为扇环宽度，最终获取板材大半径、板材小半径以及板材角度；

第二步：辊弯，对选取的待切割板材实施切割，切割完成后进行辊弯操作；

第三步：毛坯焊接装配，将辊弯后的板材先进行点焊，再进行缝焊，最终形成图12中所示的六面体，其中，12a为剖视图，12b为整体结构，这种焊接工艺能够避免焊接过程中板材的滑移，有利于提高成型精度，板材之间的焊接也需要同样的焊接工艺来避免误差，若干六面体顺次焊接固定形成封闭环状结构1，在其中一个六面体的耐压壳本体101面上进行切割并焊接注水口11；

第四步：首次胀形，向注水口11注水，图13所示，直至封闭环形结构向四周壁膨胀，六面体的膨胀截面呈圆形截面，13a为首次胀形后的剖视图，13b首次胀形后的整体结构；

第五步：组装环形工装7，图14-图15所示，将环形工装7对称设置的两个半圆形结构套设在相邻两个耐压壳本体连接处的壳体凹槽上，对称设置的两个半圆形结构通过螺栓8、螺母9紧固，在每个耐压壳本体的两端分别开设壳体凹槽，通过14a的此种设置，使得环形工装7与耐压壳本体连接处采用相对平滑的连接方式，给环形耐压壳留出14b所示充足的胀形空间，避免耐压壳本体壳体的胀形过程受到阻碍；

第六步：二次胀形，向注水口11再次注水，图16所示，壳体内部压力继续增加，直至单个六面体结构侧壁沿着径向向四周膨大，同时沿着中轴线向两端直径逐渐减小，形成纺锤状，使壳体曲率大大增加，逐渐形成由纺锤体交接而成的环形耐压壳；

第七步：割舱门2，使用切割机将注水口11切割，图17所示，切割后形成空槽，这个空槽可满足后续加强框6的焊接安装；

第八步：焊接加强框6，图18所示，将加强框6焊接在空槽上；

第九步：组装舱门2，图19所示，铰接结构5的铰接端固定在加强框6一侧，舱门2为拱形结构，舱门2一侧固设在铰接端上，将密封圈10嵌入加强框6凹槽内，在舱门2表面开设三个圆形凹槽，以穿过拱形舱门2中心且与封闭环形结构径向平行的直线为中心线，其中两个圆形凹槽以中心线对称布设，且两个圆形凹槽靠近舱门2的侧边，第三个圆形凹槽设置在中心线上，且第三个圆形凹槽靠近远离铰接端的侧边，闭合舱门2，锁紧安装在圆形凹槽内的锁紧阀门3。

通过上述优选实施例1与实施例2的具体阐述，本申请完全可以克服背景技术中的缺陷，提供一种抗压性能较佳，制造难度较低，壳体力学性能有优势的深海环形耐压壳。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种深海环形耐压壳，其特征在于：包括若干耐压壳本体，若干耐压壳本体顺次连接拼接形成封闭环状结构，前述的耐压壳本体呈纺锤形；

在由若干耐压壳本体连接形成的封闭环状结构上均匀套设若干环形工装；

在其中一个耐压壳本体的表面开设空槽，空槽上覆设舱门，舱门与耐压壳本体铰接。

2.根据权利要求1所述的深海环形耐压壳，其特征在于：前述的耐压壳本体为内部中空的六面体结构，其侧壁沿着径向向四周膨大，且六面体结构沿着中轴线向两端直径逐渐减小，呈纺锤状。

3.根据权利要求1所述的深海环形耐压壳，其特征在于：前述的环形工装包括对称设置的两个半圆形结构，在每个耐压壳本体的两端分别设置壳体凹槽，环形工装套设在相邻耐压壳本体的壳体凹槽上，相邻的半圆形结构端部通过螺栓、螺母进行固定。

4.根据权利要求1所述的深海环形耐压壳，其特征在于：耐压壳本体表面开设空槽，空槽上焊接固定加强框，铰接结构的铰接端固定在加强框一侧，舱门一侧固设在铰接端上。

5.根据权利要求4所述的深海环形耐压壳，其特征在于：在舱门表面开设若干圆形凹槽，每个圆形凹槽内嵌设锁紧阀门；在加强框凹槽内嵌设密封圈。

6.根据权利要求5所述的深海环形耐压壳，其特征在于：前述的舱门为拱形结构，在舱门表面开设三个圆形凹槽，以穿过拱形舱门中心且与封闭环形结构径向平行的直线为中心线，其中两个圆形凹槽以中心线对称布设，且两个圆形凹槽靠近舱门的侧边，第三个圆形凹槽设置在中心线上，且第三个圆形凹槽靠近远离铰接端的侧边。

7.根据权利要求1所述的深海环形耐压壳，其特征在于：在舱门的表面均匀布设若干加强肋，加强肋沿着封闭环状结构的径向方向延伸。

8.一种深海环形耐压壳的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：切割，根据所需制造的环形耐压壳初始环状结构的三维模型，推算出待切割板材的尺寸，进行待切割板材选取；

第二步：辊弯，对选取的待切割板材实施切割，切割完成后进行辊弯操作；

第三步：毛坯焊接装配，将辊弯后的板材先进行点焊，再进行缝焊，最终形成六面体，若干六面体顺次焊接固定形成封闭环状结构，在其中一个六面体的一个面上进行切割并焊接注水口；

第四步：首次胀形，向注水口注水，直至封闭环形结构向四周壁膨胀，六面体的膨胀截面呈圆形截面；

第五步：组装环形工装，将环形工装对称设置的两个半圆形结构套设在相邻两个耐压壳本体连接处的壳体凹槽上，对称设置的两个半圆形结构通过螺栓、螺母紧固；

第六步：二次胀形，向注水口再次注水，直至单个六面体结构侧壁沿着径向向四周膨大，同时沿着中轴线向两端直径逐渐减小，形成纺锤状；

第七步：割舱门，使用切割机将注水口切割，切割后形成空槽；

第八步：焊接加强框，将加强框焊接在空槽上；

第九步：组装舱门，铰接结构的铰接端固定在加强框一侧，舱门一侧固设在铰接端上，将密封圈嵌入加强框凹槽内，在舱门表面开设若干圆形凹槽，闭合舱门，锁紧安装在圆形凹槽内的锁紧阀门。

9.根据权利要求8所述的深海环形耐压壳的制造方法，其特征在于：第一步中，根据所需制造的环形耐压壳初始环状结构的三维模型，直接得到扇环大半径、扇环小半径以及扇环宽度，根据三角形相似原理，即

可知

同时R₂＝R₁+l，通过扇形角度计算可知，

其中，R₁为板材大半径，R₂为板材小半径，r₁为扇环小半径，r₂为扇环大半径，α为板材的角度，l为扇环宽度，最终获取板材大半径、板材小半径以及板材角度。

10.根据权利要求8所述的深海环形耐压壳的制造方法，其特征在于：前述的舱门为拱形结构，在舱门表面开设三个圆形凹槽，以穿过拱形舱门中心且与封闭环形结构径向平行的直线为中心线，其中两个圆形凹槽以中心线对称布设，且两个圆形凹槽靠近舱门的侧边，第三个圆形凹槽设置在中心线上，且第三个圆形凹槽靠近远离铰接端的侧边。

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