球罐热塑性成形技术的实验研究和数值模拟
球罐是现代石油化学工业及其能源工业的重要储存设备，特别是在气体燃料的存储与供应中，处于举足轻重的位置。但是，目前的球罐制作工艺仍然是沿用大型压力机模压成形或旋压成形，再经机械切割形成球瓣，最后拼装焊接成球状。在此过程中，模压所使用的大型或重型设备对制造企业的投资要求很高，机械切割造成钢板的利用率很低，球瓣拼装后所形成的焊缝是空间曲线，导致对不同容积的球罐需要分别制作专用的自动焊接导向装置。因此，形成了好多新的成形方法，如液压成形，爆炸成形等。哈工大的王仲仁教授1985年提出了一种新的球形容器成形方法，即无模液压胀型技术，制造出了许多装饰用球罐，也制造出了一些高压容器。
本文利用了一种新的球罐的成形方法，即热塑性成形的方法做出了实验模型。其方法是先制成一个由多边形构成的球形内接多面体，对于实验室研究等，在多面体下极板上预置空气接管，空气接管的另一端接排气阀和压力表，再接空气压缩机，加温到塑性变形温度后保温，加压到指定压力进行成形加工。用气体作为压力的载体对加热到热塑性变形温度的封闭多面体进行加压，在高温作用下，钢材的性能发生很大的改变，塑性变形的强度变的很低，这样我们就可以在一个比较低的压力下完成球罐壳体的热塑性成形。球罐热塑性成形不需要大型冲压设备、直焊缝便于自动焊接设备的利用，焊缝质量稳定，生产效率提高，劳动强度低，施工环境大为改善，制造成本降低，壳体中应力分布比较均匀，质量更好。可使企业减少大型设备投资上千万元，大型球罐的加工成本降低很多。
首先，本文对国内外球罐成形的技术进行了较全面地研究分析和总结，首次在国内开展高温低压并通入气体的无模胀形技术成形方法的实验研究。依据我们现有的环境和实验条件，并根据压力容器的设计规范，对热塑性成形技术的球罐进行了结构设计和实验，做出了32面的足球式的球罐实体模型。本文的实验模型采用的是边长相等的12个正五边形和20个正六边形平板，将其焊接而成32面足球式的多面壳体，然后将其放入箱式电阻炉加热到900℃时，使壳体保温10-15分钟后用压缩机充入气体，然后胀成了比较理想的圆球。
其次，对所做的实体模型用压力容器行业指定的有限元分析软件ANSYS进行了数值模拟分析，考虑了材料的热物理性能和力学性能在高温下的变化即材料和几何的非线性，模拟分析了在高温下成形的实体模型球罐的应力变形及位移等；同时也建立了常温高压下通入液体成形的球罐的有限元模型（和本实验模型的尺寸及材料等都一样，只是成形的温度和压力及成形方法不同），并对其进行了数值分析，并和热塑性成形的球罐进行了对比，从而验证了热塑性成形方法的可行性，为球罐大型化制造提供了新的研究方法。
陕西科技大学
硕士
化工过程机械
陈海峰
2010
中文
TQ051.3
67
2011-02-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）