本发明提供一种三圆弧凸形封头及其优化设计方法，优化设计后的三圆弧凸形封头为一壳体且为一回转体，所述三圆弧凸形封头的回转母线由自回转中心线起始的第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段和直线段依次相切连接而成。本发明中，新型的三圆弧凸形封头的开发与应用使承压罐式集装箱的封头厚度减薄，至少实现筒体与封头等厚，节约了材料；封头曲面深度小，制造容易；保证足够大的罐体容积，制造中也不影响封头上的底阀装配，对推进国内承压罐式集装箱罐体整体质量最小化、装载质量最大化具有深远的意义，推动了物流行业装备的技术进步。

  (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 113221287 A (43)申请公布日 2021.08.06 (21)申请号 2.3 G06F 119/08 (2020.01) G06F 119/14 (2020.01) (22)申请日 2021.05.28 (71)申请人 南通职业大学 地址 226000 江苏省南通市崇川区青年中 路89号 申请人 南通四方罐式储运设备制造有限公 司 (72)发明人 季维英顾洪飞周元网 (74)专利代理机构 南通一恒专利商标代理事务 所(普通合伙) 32553 代理人 梁金娟 (51)Int.Cl. G06F 30/17 (2020.01) G06F 30/23 (2020.01) G06F 111/04 (2020.01) 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 (54)发明名称 一种三圆弧凸形封头及其优化设计方法 (57)摘要 本发明提供一种三圆弧凸形封头及其优化 设计方法，优化设计后的三圆弧凸形封头为一壳 体且为一回转体，所述三圆弧凸形封头的回转母 线由自回转中心线起始的第一圆弧段、第二圆弧 段、第三圆弧段和直线段依次相切连接而成。本 发明中，新型的三圆弧凸形封头的开发与应用使 承压罐式集装箱的封头厚度减薄，至少实现筒体 与封头等厚，节约了材料；封头曲面深度小，制造 容易；保证足够大的罐体容积，制造中也不影响 封头上的底阀装配，对推进国内承压罐式集装箱 罐体整体质量最小化、装载质量最大化具有深远 的意义，推动了物流行业装备的技术进步。 A 7 8 2 1 2 2 3 1 1 N C CN 113221287 A 权利要求书 1/2页 1.一种三圆弧凸形封头，其特征是，为一壳体且为一回转体，所述三圆弧凸形封头的 回转母线由自回转中心线起始的第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段和直线段依次相切 连接而成。 2.依据权利要求1所述的三圆弧凸形封头，其特征是，所述三圆弧凸形封头连接于罐 体端部，所述罐体的内直径为D ，所述第一圆弧段的半径为顶弧半径R ，第二圆弧段的半径 i 1 为过渡弧半径R ，第三圆弧段的半径为小弧半径R ，第一圆弧段起始点与直线 的垂直距离为封头曲面深度h ，其中，h ＝0.225D ，R ＝D ，R ＝0.225D ～0.235D ，R ＝ i i i 1 i 2 i i 3 0.1D 。 i 3.依据权利要求1所述的三圆弧凸形封头，其特征是，所述直线中任一项所述的三圆弧凸形封头的优化设计方法，其特征是， 包括如下步骤： S1、设定强度条件 三圆弧凸形封头的第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段和直线段的连接处几何不连 续，内压作用下产生剪力和弯矩，在剪力和弯矩作用下，封头上不连续处产生局部薄膜应力 和弯曲应力，叠加内压引起的薄膜应力使封头的总应力提高，采用分析设计法进行设计，强 度条件为： 顶圆弧段S ≤S ，几何不连续处S ≤1.5S ，S ≤3S ， I m II m IV m 其中，S 为总体薄膜应力，S 为局部薄膜应力，S 为一次应力加二次应力，S 为材料在 I II IV m 设计温度下的许用应力； S2、优化设计变量过渡弧半径R2 顶弧半径R ＝D ，当封头与筒体等厚时，第一圆弧段上一次总体薄膜应力S ≤S是恒成 1 i I m 立的，优化的目标函数为： f(x)＝min(S (R))； II 2 约束条件：1.5S ‑S ≥0和3S‑S ≥0； m II m IV S3、建模，计算当量应力 三圆弧凸形封头的厚度采用与筒体等厚，考虑边缘效应，将三圆弧凸形封头及500mm长 的一段筒体一并建模，采用壳单元划分网格，筒体端部施加固定约束，三圆弧凸形封头内施 加压力，引入步骤S1的强度条件公式，采用第四强度理论计算当量应力，计算后得出三圆弧 凸形封头总体应力分布图、封头薄膜应力分布图和强度分析表，根据强度分析表判断封头 强度是不是合格； S4、进一步采用优化筛选法求得最优的过渡弧半径R2 根据几何关系，封头曲面深度hi，当顶弧半径为Di，没有小弧段，过渡弧与顶弧构建凸 形封头，此时可得过渡弧半径最小值，该值由公式 2 2 2 (D‑h) +(D/2‑R) ＝(D‑R) 求得； i i i 2 i 2 当小弧半径为0.1Di，没有顶弧段，过渡弧与小弧构建凸形封头，此时可得过渡弧半径 最大值，该值由公式 2 2 2 (R‑h) +(0.4D) ＝(R‑0.1D) 求得； 2 i i 2 i 从而得到R 的取值范围，在R的取值范围内设置50个R样本点，初步计算最大的S 和S 2 2 2 II IV 值随R 的变化规律，得到S 最小值时的R 值，此时局部薄膜应力S 小于1.5倍的许用应力 2 II 2 II 2 2 CN 113221287 A 权利要求书 2/2页 值，所有的样本点的S 值均小于3倍的许用应力，满足强度要求。 IV 3 3 CN 113221287 A 说明书 1/6页 一种三圆弧凸形封头及其优化设计方法 技术领域 [0001] 本发明涉及一种封头的优化设计方法，具体涉及一种三圆弧凸形封头及其优化设 计方法。 背景技术 [0002] 封头是压力容器上的一个重要的受压元件，压力容器广泛应用在化工、制药、冶 金、纺织、运输等各个行业，罐式集装箱为典型的移动式压力容器。根据容器使用目的和其 内压力的不同，封头可以采用平封头和凸形封头，凸形封头有椭圆形封头、碟形封头、半球 形封头、锥形封头等。 [0003] 承压罐式集装箱是移动式压力容器，需满足标准规定的外部尺寸，罐体上采用的 标准椭圆形封头与碟形封头相比，曲面深度大，制造困难，罐体内容积偏小。而碟形封头受 力欠佳，导致同一罐体上碟形封头设计厚度大于筒体设计厚度，使设备材料成本上升，罐体 质量增加。 发明内容 [0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种三圆弧凸形封头，在顶圆弧与小圆弧之间加 一过渡圆弧，缓和结构突变造成的应力集中；通过优化过渡圆弧半径，改善封头受压后的应 力分布，减小了封头的设计厚度，使罐体重量得以降低，推动了罐式集装箱的轻量化设计。 [0005] 为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种三圆弧凸形封头，为一壳体且为 一回转体，所述三圆弧凸形封头的回转母线由自回转中心线起始的第一圆弧段、第二圆弧 段、第三圆弧段和直线段依次相切连接而成。 [0006] 其中，所述三圆弧凸形封头连接于罐体端部，所述罐体的内直径为D ，所述第一圆 i 弧段的半径为顶弧半径R ，第二圆弧段的半径为过渡弧半径R ，第三圆弧段的半径为小弧半 1 2 径R ，第一圆弧段起始点与直线段起始点之间的垂直距离为封头曲面深度h ，其中，h ＝ 3 i i 0.225D ，R ＝D ，R ＝(0.225～0.235)D ，R ＝0.1D。 i 1 i 2 i 3 i [0007] 其中，所述直线] 上述的三圆弧凸形封头的优化设计方法包括如下步骤： [0009] S1、设定强度条件 [0010] 三圆弧凸形封头的第一圆弧段、第二圆弧段、第三圆弧段和直线段的连接处几何 不连续，内压作用下产生剪力和弯矩，在剪力和弯矩作用下，封头上不连续处产生局部薄膜 应力和弯曲应力，叠加内压引起的薄膜应力使封头的总应力提高，采用分析设计法进行设 计，强度条件为： [0011] 顶圆弧段S ≤S ，几何不连续处S ≤1.5S ，S ≤3S ， I m II m IV m [0012] 其中，S 为总体薄膜应力，S 为局部薄膜应力，S 为一次应力加二次应力，S 为材 I II IV m 料在设计温度下的许用应力； [0013] S2、优化设计变量过渡弧半径R2 4 4 CN 113221287 A 说明书 2/6页 [0014] 顶弧半径R ＝D ，当封头与筒体等厚时，第一圆弧段上一次总体薄膜应力S ≤S是 1 i I m 恒成立的，优化的目标函数为： [0015] f(x)＝min(S (R))； II 2 [0016] 约束条件：1.5S ‑S ≥0和3S‑S ≥0； m II m IV [0017] S3、建模，计算当量应力 [0018] 三圆弧凸形封头的厚度采用与筒体等厚，考虑边缘效应，将三圆弧凸形封头及 500mm长的一段筒体一并建模，采用壳单元划分网格，筒体端部施加固定约束，三圆弧凸形 封头内施加压力，引入步骤S1的强度条件公式，采用第四强度理论计算当量应力，计算后得 出三圆弧凸形封头总体应力分布图、封头薄膜应力分布图和强度分析表，根据强度分析表 判断封头强度合不合格； [0019] S4、进一步采用优化筛选法求得最优的过渡弧半径R 2 [0020] 根据几何关系计算，封头曲面深度hi，当顶弧半径为Di，没有小弧段，过渡弧与顶 弧构建凸形封头，此时可得过渡弧半径最小值，该值由公式 [0021] 2 2 2 (D‑h) +(D/2‑R) ＝(D‑R) 求得； i i i 2 i 2 [0022] 当小弧半径为0.1Di，没有顶弧段，过渡弧与小弧构建凸形封头，此时可得过渡弧 半径最大值，该值由公式 [0023] 2 2 2 (R‑h) +(0.4D) ＝(R‑0.1D) 求得； 2 i i 2 i [0024] 从而得到R 的取值范围，在R的取值范围内设置50个R样本点，初步计算最大的S 2 2 2 II 和S 值随R 的变化规律，得到S 最小值时的R值，此时局部薄膜应力S 小于1.5倍的许用应 IV 2 II 2 II 力值，所有的样本点的S 值均小于3倍的许用应力，满足强度要求。 IV [0025] S5、三圆弧凸形封头的试制 [0026] 通过模压制作三圆弧凸形封头，组装了该封头的罐箱按试验大纲进行堆码、起吊 等试验，通过试验验证，满足《国际危险货物规则》、《集装箱检验规范》2016的要求。 [0027] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明中三圆弧凸形封头是在顶弧半径 R ＝D ，小圆弧半径r＝0.15D的碟形封头上进行改进设计，两封头曲面深度相等，将小圆弧 i i i 半径缩小为0.1D ，实现了承压罐箱的筒体与封头等厚，节约了材料；封头曲面深度小，制造 i 容易，同时能保证足够大的罐体容积，制造中也不影响封头上的底阀装配。对推进国内承压 罐式集装箱罐体整体质量最小化、装载质量最大化具有深远的意义，推动了物流行业装备 的技术进步。 附图说明 [0028] 图1为本发明的结构示意图； [0029] 图2为本发明中划分网格后的模型图； [0030] 图3为本发明中碟形封头总应力分布云图；图4为本发明中碟形封头薄膜应力分布 云图； [0031] 图5为本发明中R ＝700mm时三圆弧封头总应力分布云图； 2 [0032] 图6为本发明中R ＝700mm时三圆弧封头薄膜应力分布云图； 2 [0033] 图7为本发明中R ＝550mm时三圆弧封头总应力分布云图； 2 [0034] 图8为本发明中R ＝550mm时三圆弧封头薄膜应力分布云图。 2 5 5 CN 113221287 A 说明书 3/6页 [0035] 附图标记说明： [0036] 1、第一圆弧段；2、第二圆弧段；3、第三圆弧段；4、直线段。 具体实施方式 [0037] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。 [0038] 如图1所示，本发明的实施例提供一种三圆弧凸形封头，为一壳体且为一回转体， 所述三圆弧凸形封头的回转母线由自回转中心线和直线依次相切连接而成。 [0039] 所述三圆弧凸形封头连接于罐体端部，所述罐体的内直径为D ，所述第一圆弧段1 i 的半径为顶弧半径R ，第二圆弧段2的半径为过渡弧半径R ，第三圆弧段3的半径为小弧半径 1 2 R ，其中，R ＝D ，R ＝(0.225～0.235)D ，R ＝0.1D ，第一圆弧段起始点与直线 i 间的垂直距离为封头曲面深度h ，曲面深度h ＝0.225D 。 i i i [0040] 所述直线] 本发明采用有限元分析设计，开发了一种与顶弧半径R ＝D ，小弧半径r＝0.15D i i i 的碟形封头等曲面深度的新型封头即三圆弧凸形封头，此封头受压后应力分布合理，通过 优化分析，设计厚度明显减小，采用三圆弧封头的罐体不但节约了材料，介质装载量大且制 造容易，实现了罐箱的整体质量最小化，装载质量最大化的目标。 [0042] 下面结合具体实施例进一步阐述三圆弧凸形封头的优化设计方法，包括如下步 骤： [0043] 1、三圆弧封头的开发 [0044] 该三圆弧凸形封头包括第一圆弧段、第二圆弧段和第三圆弧段三段圆弧及直边 段，如图1所示，图中罐体内直径为D 。三段弧的半径分别为顶弧半径R ，过渡弧半径R ，小弧 i 1 2 半径R ，三段圆弧及封头直边间两两相切。显然三段弧封头与标准椭圆封头相比，曲面深度 3 小，因而容积大，并且易于制造。与两段弧的碟形封头相比，由于形状变化趋缓，内压作用下 应力分布趋合理。三圆弧凸形封头受压后应力分布及最大应力值与三段弧半径有关。 [0045] 2、三段弧半径 [0046] 参照GB150.3《能承受压力的容器》碟形封头设计并考虑封头上底阀装配等问题，三圆弧凸 形封头上小圆弧半径取R ≈0.1D 。封头顶段是球体，若顶段圆弧半径R ＝D ，球体中的纵、 3 i 1 i 环向应力与罐箱筒体的环向应力相等，此时封头可与筒体等厚，且此时罐体容积足够大。三 圆弧凸形封头顶弧、过渡弧、小弧、直边段连接处几何不连续，内压作用下将产生剪力和弯 矩，在这些剪力和弯矩作用下，在不连续处附近封头上产生局部薄膜应力和弯曲应力，叠加 内压引起的薄膜应力，使封头的总应力提高，采用分析设计法进行设计时，其强度条件为： [0047] 顶弧段S ≤S ，几何不连续处S ≤1.5S ，S ≤3S ， I m II m IV m [0048] 其中，S 为总体薄膜应力，S 为局部薄膜应力，S 为一次应力加二次应力，S 为材 I II IV m 料在设计温度下的许用应力。 [0049] 本优化设计变量为R ，根据几何关系，显然R 值处在一区间内。由于顶弧半径R ＝ 2 2 1 D ，当封头采用与筒体等厚时，顶段球体上一次总体薄膜应力S ≤S恒成立的。通过有限元 i I m 计算发现，三圆弧凸形封头上一次应力与二次应力总和的最大值总是远远小于两倍的局部 6 6 CN 113221287 A 说明书 4/6页 薄膜应力最大值，即最大局部薄膜应力小于等于1.5倍的许用应力是强度是不是合格的决定 性条件，因此本优化的目标函数为： [0050] f(x)＝min(S (R))； II 2 [0051] 约束条件：1.5S ‑S ≥0和3S‑S ≥0。 m II m IV [0052] 3、过渡圆弧半径优化案例 [0053] 以25K罐式集装箱罐体为例，其几何尺寸为：筒体内径D ＝2378mm，筒体设计厚度 i 4.2mm。三圆弧凸形封头曲面深度h ＝535mm，罐体内设计压力为0.553MPa，设计温度为130 i ℃，材料许用应力186.5MPa。进行封头建模时，考虑边缘效应，将封头及500mm(包括封头直 边)长的筒体一并建模。采用壳单元划分网格，划分网格后的模型图如图2所示，筒体端部施 加固定约束，封头内施加0.553MPa内压力，采用第四强度理论计算当量应力，强度条件为： [0054] 一次局部薄膜应力S ≤1.5S ＝279.7MPa，一次加二次应力S ≤3S ＝559.5MPa。 II m IV m [0055] 3.1、碟形封头应力计算 [0056] 如果采用曲面深度为535mm的碟形封头，顶弧半径R ＝2378mm，小弧半径r＝ 1 357mm，封头与筒体等厚4.2mm，通过有限元分析计算可得封头总体应力分布如图3所示，封 头薄膜应力分布如图4所示。由图中数据可知，封头强度不合格，分析结果见表1。 [0057] 表1：碟形封头与三圆弧封头强度比较 [0058] [0059] [0060] 3.2、三圆弧凸形封头的应力计算 [0061] 若采用等曲面深度的三圆弧凸形封头，顶弧半径R ＝2378mm，小弧半径为R ＝ 1 3 240mm，考虑过渡弧是用来缓和顶弧到小弧的几何突变的，过渡弧半径初定R ＝700mm,封头 2 计算厚度仍为4.2mm。经过计算，封头总体应力分布如图5所示，封头薄膜应力分布如图6所 示，强度分析见表1。由表1可知，该封头上的应力相对于碟形封头已大幅度的降低，但封头强度 仍不合格。 [0062] 3.3、三圆弧凸形封头的优化分析 [0063] 采用优化筛选法求得最优的过渡弧半径，首先是根据几何关系，封头曲面深度hi，当 顶弧半径为Di，没有小弧段，过渡弧与顶弧构建凸形封头，此时可得过渡弧半径最小值，该 值由公式 [0064] 2 2 2 (D‑h) +(D/2‑R) ＝(D‑R) 求得。 i i i 2 i 2 [0065] 当小弧半径为0.1Di，没有顶弧段，过渡弧与小弧构建凸形封头，此时可得过渡弧 7 7 CN 113221287 A 说明书 5/6页 半径最大值，该值由公式 [0066] 2 2 2 (R‑h) +(0.4D) ＝(R‑0.1D) 求得。 2 i i 2 i [0067] 通过计算可得R ∈(357，1913)。在(357，1913)范围内设置50个R样本点，初步计算 2 2 最大的S 和S 值随R 的变化规律，部分计算结果如表2所示，表中P 即为S ，P即为S 。 II IV 2 1 II 2 IV [0068] 从表中发现当R 在547mm处，S 有最小值；另所有的样本点的S 值均小于3倍的许 2 II IV 用应力，因此局部薄膜应力的大小对封头强度起决定作用。接下来在(500,620)范围内设置 25个样本点进一步筛选发现，当R ＝550mm时，小弧段和过渡弧段的最大薄膜应力接近，此 2 时最大的局部薄膜应力S 值最低，为250.61MPa，小于1.5倍的许用应力值，满足强度要求， II 最大局部薄膜应力值大幅度的降低，只有碟形封头最大局部薄膜应力值的0.65倍，详见表1。筛 选的25个样本点的应力值见表3。R ＝550mm时封头的总应力分布如图7所示，薄膜应力分布 2 如图8所示。显然最优的过渡弧半径为550mm，此时三圆弧凸形封头满足强度要求。 [0069] 表2：50个样本点应力值(部分) [0070] 8 8 CN 113221287 A 说明书 6/6页 [0071] 表3：25个样本点应力值 [0072] [0073] 4、结语 [0074] 三圆弧新型封头的开发与应用，实现了承压罐箱的筒体与封头等厚，节约了材料； 由于封头曲面深度小，制造容易，同时能保证足够大的罐体容积。对推进国内承压罐式集装 箱罐体整体质量最小化、装载质量最大化具有深远的意义，推动了物流行业装备的技术进 步。 [0075] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。 9 9 CN 113221287 A 说明书附图 1/4页 图1 图2 10 10 CN 113221287 A 说明书附图 2/4页 图3 图4 11 11 CN 113221287 A 说明书附图 3/4页 图5 图6 12 12 CN 113221287 A 说明书附图 4/4页 图7 图8 13 13

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