冷擠壓化合物容器疲勞強(qiáng)度的最佳設(shè)計(jì)

1、冷擠壓化合物容器疲勞強(qiáng)度的最佳設(shè)計(jì)本技術(shù)摘要論述了冷擠壓化合物容器疲勞強(qiáng)度的最佳設(shè)計(jì)。首先，論述了容器中每一部件的壓力公式和熱套配合壓力是如何導(dǎo)出的。然后，通過(guò)正弦定理的方法論述容器疲勞強(qiáng)度理論。最后，疲勞強(qiáng)度最佳設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型建立在單層、雙層及三層容器上。接著獲得了如下的2個(gè)結(jié)果：（）雙層和三層容器的最大容量負(fù)荷分別是單層容器的1.89和2.04倍，（）設(shè)計(jì)出外徑超出內(nèi)徑4倍的化合物容器是不可能的。1 引言如今只有使用化合物容器來(lái)減輕單層容器應(yīng)用產(chǎn)生的擠壓力這一困擾所造成的高應(yīng)力峰。在構(gòu)造尺寸和熱套配合壓力（或熱套配合變化）之間做出正確的選擇的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)化合物容器。由于設(shè)計(jì)一個(gè)化合物容器

2、非常復(fù)雜，因此當(dāng)前實(shí)踐中的設(shè)計(jì)只考慮了強(qiáng)度這一因素。其中，經(jīng)驗(yàn)扮演了一個(gè)非常重要的角色。靜力學(xué)理論Ref.中論述了化合物容器的最佳設(shè)計(jì)。但正如我們所知，化合物容器要承受多軸應(yīng)力，而它的疲勞是造成失敗的原因，所以按照疲勞理論來(lái)設(shè)計(jì)化合物容器才是恰當(dāng)?shù)?。同時(shí)，為了改善設(shè)計(jì)，強(qiáng)度條件和硬度條件都應(yīng)被考慮在內(nèi)。介于此點(diǎn)，在本文中我們將利用疲勞強(qiáng)度理論研究化合物容器的最佳設(shè)計(jì)。此外，本論文還建立了疲勞強(qiáng)度最佳設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，提供了單層、雙層和三層容器的數(shù)學(xué)例子。2 強(qiáng)度分析2.1 厚壁圓筒冷擠壓化合物容器紅的每一部件都是一個(gè)厚壁圓筒?，F(xiàn)在，（見圖表1）設(shè)一厚壁圓筒的內(nèi)徑r = r1，外徑r = r2，有

3、自由端（即2 = 0），設(shè)p1為內(nèi)表面的內(nèi)壓，p2為外表面的外壓。無(wú)論在什么主觀情況下，根據(jù)徑向切線壓力公式和徑向代替公式，在厚壁圓筒內(nèi)，r都符合以下公式，其中E和v分別為該材料的彈性系數(shù)和泊松系數(shù)。當(dāng)A和C在一定范圍內(nèi)恒定的時(shí)候，我們得到這個(gè)：2.2 三層化合物容器設(shè)ri為內(nèi)徑， ri1為外徑，Ei和vi分別為容器內(nèi)部件i（i=1,2,3）的彈性系數(shù)和泊松系數(shù)。假設(shè)里層的部件1和中間層的部件2是熱配合的，r2和p2分別是這個(gè)兩層之間熱配合的變化幅度和熱配合壓力，見方程式2。上式中，f2是彈性系數(shù)，可這樣計(jì)算得出：是中間層外徑r3的擴(kuò)大量，于是有公式：假設(shè)r3為熱配合時(shí)，組件中的中間層和外層（

4、即部件3）的單方面收縮變化量。當(dāng)熱套配合變化時(shí)，事實(shí)上單方面的收縮變化量是r3+。另一方面，假設(shè)p3為中間層和外層之間的熱套配合壓，Ai和Ci（i=1,2）是公式1中當(dāng)p3=1時(shí)部件i的系數(shù)。根據(jù)邊際條件，我們可以得到：從中，我們可以得出Ai和Ci。而熱套配合壓p3為其中，f3是彈性系數(shù)，可由此得出：此外，設(shè)和是公式1中部件i（i=1,2,3）在工作壓p1（即承載能力）下的系數(shù)。根據(jù)邊際條件，我們可以得到：從中，我們可以得到和。根據(jù)基于力學(xué)重疊條件的討論，我們可以得到在熱套配合和承載情景下三層容器每個(gè)部件內(nèi)層壓力公式的計(jì)算。這些公式在表格1中列出。3 疲勞強(qiáng)度最佳設(shè)計(jì)理論假設(shè)-1為疲勞強(qiáng)度，b

5、為最終拉伸強(qiáng)度，s和s分別為該材料的拉伸屈二強(qiáng)度和屈服壓力強(qiáng)度。設(shè)a和m分別為壓力振幅和單軸負(fù)載下的平均壓力。單軸負(fù)載下的疲勞曲線ABCD在圖表2中所示，也可以在算數(shù)上被表達(dá)為然而還有很多因素影響著疲勞強(qiáng)度。比如說(shuō)一個(gè)厚壁圓，主要的因素是他的結(jié)構(gòu)的大小和機(jī)器表面的質(zhì)量。我們假設(shè)d0是結(jié)構(gòu)大小的系數(shù)，d為機(jī)器表面質(zhì)量的系數(shù)，那么其中d0和d分別是組件的直徑而標(biāo)準(zhǔn)桿氣缸疲勞標(biāo)準(zhǔn)，a的鋼結(jié)構(gòu)在0.08-0.12之間。在這里，厚圓柱體等效直徑為計(jì)算依據(jù)的等效厚度的原則，厚壁圓筒疲勞強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)缸桿疲勞試樣飛0.97倍。5考慮到這些因素，-1應(yīng)適當(dāng)?shù)淖稣{(diào)整，如果是調(diào)整值，也就是說(shuō)，我們得到厚圓柱體疲勞強(qiáng)度

6、為=0.97-1根據(jù)錫尼算法7，等效應(yīng)力幅ea和厚壁圓筒平均應(yīng)力em分別是，這并不難驗(yàn)證疲勞強(qiáng)度的檢測(cè)是在每個(gè)遠(yuǎn)見表面都進(jìn)行的。4 優(yōu)化設(shè)計(jì)最佳的設(shè)計(jì)過(guò)程包括三個(gè)步驟。第一步是確定設(shè)計(jì)變量，他們是（r2,r3和r4）建筑尺寸，縮小接壓力（p2和p3）和工作壓力p1。第二步是確定目標(biāo)函數(shù)，可分為兩類，一類是盡量減少在該內(nèi)徑r1和p1的負(fù)載能力一定條件下該化合物的容器外徑。目標(biāo)函數(shù)是另一種是最大內(nèi)半徑r1和外部條件下，給出了復(fù)合集合容量p1。目標(biāo)函數(shù)是最后一步是要建立約束條件。這些都是疲勞的強(qiáng)度和剛度，最小和最大壁厚的條件，以及收縮適合壓力非負(fù)的要求(p2 和p3).設(shè)ri min ,rimax

7、是最小的和最大壁厚，-1i為構(gòu)件強(qiáng)度分別部件i的材料疲勞，讓是允許的徑向位移的復(fù)合型集裝箱孔。為了簡(jiǎn)化文本，我們目前列出三件容器的限制。他們是5 數(shù)值實(shí)例和結(jié)論為了獲得單體，兩件最大載荷能力，以及三片容器，最大壁厚的限制將被取消。為方便比較，零件的材料是相同的算例?，F(xiàn)在，我們選取了相關(guān)參數(shù)si=2000MPa ,si=2400MPa ,bi=2600MPa ，-1i=1200MPa ，Ei=350,000MPa ,vi=0.3 ,ri min=10mm ,i=0.92 (i=1,2,3)=0.10 , r1=70mm , =0.4mm ,d0=8 mm, 安全系數(shù)n=1.2最大負(fù)載能力為圖繪制

8、。3比為單體，二片外半徑和三片容器。其最大負(fù)載能力約為639，1205和1301 Mpa時(shí)。最小外徑在圖繪制。圖表4為容器的三種負(fù)載能力。從上面的討論，我們可以得到以下結(jié)論：1.在復(fù)合容器疲勞強(qiáng)度檢查站上的每個(gè)元件的內(nèi)表面。2. 兩和三片式容器的最大載重能力分別是單體容器的1.89和2.04倍。因此，沒有必要為一個(gè)復(fù)合容器在里面裝上三片只是為了增加其負(fù)載能力3. 這是沒有必要的設(shè)計(jì)外半徑大于復(fù)合容器內(nèi)半徑4倍，事實(shí)上，當(dāng)單體，兩片外半徑和三片式容器內(nèi)半徑4倍，其分別的最高載重能力達(dá)到99.7，95.3和94.6。4. 當(dāng)一個(gè)容器承載能力，無(wú)論是整體式，兩件或三件，接近其最高水平，容器的外半徑就會(huì)增加。原文說(shuō)明原文說(shuō)明的內(nèi)容是：提名：Optimum Design of Fatigue Strength o