【導(dǎo)讀】安全氣囊作為一種安全配置，以其較高的安全性已經(jīng)逐漸在各類轎車上普及,并迅速發(fā)展成為一個(gè)全新的高科技產(chǎn)業(yè)。因此,安全氣囊的研究與發(fā)展對(duì)中國(guó)的汽車工業(yè)。的現(xiàn)代化具有十分重要的意義，尤其是中國(guó)加入WTO之后，這種意義將更加深刻。前，我國(guó)安全氣囊的研究與發(fā)展已初具基礎(chǔ)和規(guī)模，但是離世界先進(jìn)水平還相差甚遠(yuǎn)，這些差距主要包括安全氣囊法規(guī)、撞車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、安全氣囊的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試等方面。在測(cè)試方面、傳感器、氣體發(fā)生器和氣囊技術(shù)規(guī)范及檢測(cè)還未達(dá)到一個(gè)令人滿意的狀態(tài)。這樣提高的費(fèi)用，削弱了我國(guó)的安全氣囊在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。汽車安全氣囊的初步想法產(chǎn)生于美國(guó)。1952年,美國(guó)汽車生產(chǎn)者聯(lián)合會(huì)在理論上闡。而歐洲的專家們則認(rèn)為最好。為了保證氣囊的氣密性，在其內(nèi)表面涂復(fù)薄薄一層合成橡膠或硅橡膠。為避免氣囊因長(zhǎng)期疊置而成硬塊，在氣囊內(nèi)部覆蓋。礎(chǔ)，其中部分研究與技術(shù)已接近國(guó)際水平[2]。

　　

【正文】 平板封頭承壓時(shí)處于受彎的不利狀態(tài)，因而壁厚比同直徑的筒體大得多。下表 7 為結(jié)構(gòu)特征系數(shù) K 選擇。 表 7 結(jié)構(gòu)特征系數(shù) K 選擇 固定 方法 序號(hào) 簡(jiǎn)圖 系數(shù) K 與筒體成一體或與圓筒對(duì)焊 1 )]21(1[41K 2????且 ccDrDr 與筒體角焊或與其他焊接 2 )/(p非圓形平蓋且不小于圓形平蓋???m 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 26 頁(yè) 共 39 頁(yè) 與筒體角焊或與其他焊接 與筒體角焊或與其他焊接 3 4 5 )/(p非圓形平蓋且不小于圓形平蓋???m 螺栓連接 6 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 27 頁(yè) 共 39 頁(yè) 7 33cGcGPDLPDL預(yù)緊時(shí)圓形平蓋操作時(shí)? 8 （ 4） 封頭 的選擇 封頭的選擇要根據(jù)工作條件的要求，既要考慮封頭的形狀及其應(yīng)力的分布規(guī)律，又要考慮沖壓、焊接、裝配的難易程度，進(jìn)行全面的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。 ① 幾何方面 同體積以半球形封頭表面積為最小，橢圓形封頭與碟形基本相同。 ② 力學(xué)方 面 在直徑、壁厚、工作壓力相同的條件下，半球形應(yīng)力最小，兩向薄膜應(yīng)力相等，而且沿經(jīng)線均勻分布，如與壁厚相等的筒體連接，邊緣附近的最大應(yīng)力與薄膜應(yīng)力并無(wú)明顯不同。 橢圓形封頭的應(yīng)力情況不如半球形封頭均勻，但比碟形封頭要好些，頂點(diǎn)處應(yīng)力最大，在赤道上出現(xiàn)周向壓應(yīng)力，當(dāng) Di/(2h)=2 與壁厚相等的筒體連接時(shí)，橢圓形封頭可以達(dá)到與筒體等強(qiáng)度。 蝶形封頭在力學(xué)上的最大缺點(diǎn)在于具有較小的折邊半徑 r，這一折邊區(qū)的存在使得封頭的經(jīng)線不連續(xù)，以致使該處產(chǎn)生較大的徑向彎曲應(yīng)力和周向壓應(yīng)力。不過(guò) r/R 越小，則折邊區(qū)的這些應(yīng)力 就越大，因而有可能產(chǎn)生周向裂紋，亦可能出現(xiàn)周向折皺。 當(dāng) r=0 時(shí)，蝶形封頭成為無(wú)折邊的球形蓋，封頭的力學(xué)性能不好，在折點(diǎn)的局部區(qū)將出現(xiàn)峰值應(yīng)力，折點(diǎn)處的焊縫將成為危險(xiǎn)源，封頭與筒體的角焊縫為全焊透結(jié)構(gòu)。 錐形封頭在容器中采用的目的是錐形殼體有利于流體均勻分布和排料，錐形封頭就力學(xué)特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，錐頂尖部分強(qiáng)度很高，在錐頂尖開(kāi)孔一般不需補(bǔ)強(qiáng)。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 28 頁(yè) 共 39 頁(yè) ③ 制造方面及材料消耗 各種封頭一般是由敲打、沖壓、滾卷或爆炸成型制造，半球形與橢圓形封頭通常用沖壓的方法制造，大型半球形封頭亦可先沖壓成球瓣，然后組對(duì)拼焊而成，碟形封頭通 常用敲打、沖壓或爆炸成型，折邊部分可滾壓或敲打制成。 從制造工藝分析，封頭越深，直徑與壁厚越大，越不容易制造，尤其當(dāng)選用高強(qiáng)度鋼時(shí)更 是 如此。整體沖壓半球形封頭 不如橢圓形封頭好制造。橢圓形封頭必須有幾何正確的橢圓面模具，人工敲打制造。橢圓形封頭制造靈活性大，錐形封頭的錐頂尖部分很難卷制，當(dāng)錐頂角較小時(shí)，為了避免制造上的困難和減小錐體高度，有時(shí)可以采用組合封頭（如加圓球面頂）。 從省材方面，半球形封頭消耗材料少，碟形封頭比橢圓形封頭材料消耗多 30%以上，錐形封頭并不節(jié)省材料。 綜上所述，雖然在相同的受載條件下， 薄板的所需厚度要比薄殼大得多，即平板封頭要比凸形封頭厚的多，但是因平板封頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，在直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。所以，本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇平板封頭。 （ 5） 平板 封頭 的參數(shù)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)形式與壁厚計(jì)算： 選用 45 鋼，查表得 b? =600MPa， s? =355MPa， GB150 規(guī)定 [13]碳素鋼抗拉強(qiáng)度安全系數(shù) bn 取 ，屈服強(qiáng)度安全系數(shù) sn 取 。 許用應(yīng)力： 600[ ] 2 0 03bb M P a M P an?? ? ? ? 355[ ] 2 2 1 . 91 . 6ss M P a M P an?? ? ? ? 取較小值 [ ] 200MPa? ? ，設(shè)計(jì)壓力 cp == 結(jié)構(gòu)形式：圓形平蓋封頭 厚度：31 . 7 8( 0 . 3[ ] [ ]c G cp c c ccK p W L pS D D pD? ? ? ?? ? ? （ ） 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 29 頁(yè) 共 39 頁(yè) 其上式 （ ） ， cD 為平蓋計(jì)算直徑， 325 mm；根據(jù)相關(guān)法蘭密封設(shè)計(jì)可知操作狀態(tài)時(shí)螺栓設(shè)計(jì)載荷 W 為 N， GL 為螺栓中心至墊片壓緊力作用中心線的徑向距離為 23 mm。 將以上參數(shù)代入式 （ ）中，可以求得： 操作狀態(tài)時(shí)平蓋計(jì)算厚度： 31 . 7 8 2 0 5 4 6 . 2 2 3 6 . 0 53 2 5 (0 . 3 ) 3 1 . 26 . 0 5 3 2 5 2 0 0pS m m??? ? ? ?? 設(shè)計(jì)厚度： 2 3 1 . 2 1 3 2 . 2d p pS S C m m m m m m? ? ? ? ? 名義厚度： n1p d pS S C? ? ?圓 整 量 表 8 鋼板厚度負(fù)偏差 鋼板厚度 ～ ～ ～ ～ ～ 負(fù)偏差 1C 鋼板厚度 ～25 26～ 30 32～ 34 36～ 40 42～ 50 52～ 60 60～ 100 負(fù)偏差 1C 由表 8 可以知 1C 為 1 mm，可以求出 名義厚度： n = 32 .2 m m + 1m m + = 34 m mS 圓 整 量 封頭 與 圓筒 的連接設(shè)計(jì) 在容器筒體的邊上等分的 焊接上六塊 厚度為 13 mm 的板，在每個(gè)板的兩邊加上 2個(gè)肋板，與容器蓋用螺栓連接。 此外，筒體以及筒體與 封頭 連接裝置如下面的模擬圖 6 所示。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 30 頁(yè) 共 39 頁(yè) 圖 6 封頭與筒體聯(lián)接的模擬圖 作為聯(lián)接件的螺栓，是法蘭密封結(jié)構(gòu)中的主要受力元件，要求螺栓材料具有高的強(qiáng)度，好的韌性。為避免螺栓與螺母咬死或膠合，通常 選用不同強(qiáng)度級(jí)別的材料或選用不同的熱處理規(guī)范，使其具有不同的硬度。螺栓材料硬度一般應(yīng)比螺母高 30HB 以上。考慮螺母的更換比螺栓容易，螺栓材料強(qiáng)度通常比螺母高，本畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇 35 CrMoA 作為螺栓材料，配用螺母材料可選 35 鋼或 40 Mn。 壓力容器底部設(shè)計(jì) 根據(jù)壁厚計(jì)算公式 ，可用厚度為 34 mm 的薄板作為容器底，所以確定容器底的具體參數(shù)：直徑 ? 為 325 mm，厚度 ? 為 34 mm 的圓形薄板，與圓筒 殼體焊接而成。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 31 頁(yè) 共 39 頁(yè) 密封圈的選擇 由于該壓力容器屬于氣壓，故選用 O 形橡膠密封圈。 第 四 章 壓力容器與測(cè)試裝置接口設(shè)計(jì) 通過(guò)相關(guān)測(cè)試裝置資料可 知：測(cè)試裝置的提升系統(tǒng)采用滑軌提升，所以，壓力容器與測(cè)試裝置的連接部分采用一個(gè)直徑 ? 為 52 mm 的圓柱，為了與 圓 筒 殼 體連接，在 殼體上焊接一個(gè)內(nèi)徑為 325 mm， 厚為 13 mm 的輪箍，在輪箍和 52 mm 的 圓柱之間采用一個(gè)直徑為 72 mm 的圓柱連接，壓力發(fā)生器在實(shí)驗(yàn)和裝藥品時(shí)，為了更方便拆裝，還得設(shè)置一個(gè)翻轉(zhuǎn)裝置， 可以在直徑為 72 mm 的圓柱體上焊接上一個(gè)薄板 ，在板上打一定數(shù)量的空，通過(guò)控制孔的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力容器的定位。 聯(lián)接裝置如下圖 7 所示。 圖 7 與壓力容器聯(lián)接裝置圖 第 五 章 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 為了滿足工藝操作、容器制造、安裝、檢驗(yàn)及維修等要求，在壓力容器上開(kāi)孔是不可避免的。容器開(kāi)孔以后，不僅削弱了容器的整體強(qiáng)度，而且還會(huì)引起應(yīng)力集中，在接管和容器壁的連接處會(huì)造成局部的高應(yīng)力，接管有時(shí)還會(huì)受到各種外加載荷的作用而產(chǎn)中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 32 頁(yè) 共 39 頁(yè) 生的應(yīng)力以及溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，使得開(kāi)孔接管處的局部應(yīng)力進(jìn)一步提高。又由于材質(zhì)和制造缺陷等各種因素的 綜合作用，開(kāi)孔接管附近就成為壓力容器的破壞源。因此，壓力容器設(shè)計(jì)中必須充分考慮開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題。 開(kāi)孔的形狀 壓力容器的開(kāi)孔可分為 圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形，對(duì)于橢圓形孔和長(zhǎng)圓形孔其長(zhǎng)、短軸之比應(yīng)不大于 2 ： 1。 開(kāi)孔后的補(bǔ)強(qiáng) （ 1） 不需另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開(kāi)孔直徑 并非所有容器上的開(kāi)孔都需補(bǔ)強(qiáng)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)，容器及接管的實(shí)際壁厚 S與強(qiáng)度所需要的壁厚相比，都有一定的裕量。所以，當(dāng)開(kāi)孔尺寸在一定范圍內(nèi)時(shí)，可以不 需 另行補(bǔ)強(qiáng)。在圓筒體、球殼、錐殼上，以及凸形封頭中心 80％的內(nèi)直徑范圍內(nèi)開(kāi)孔時(shí)，當(dāng)滿足下述全部 要求時(shí)可允許不另行補(bǔ)強(qiáng)： ① 設(shè)計(jì)壓力小于或等于 ； ② 兩相鄰開(kāi)孔中心的間距（對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）應(yīng)不小于兩孔直徑的 2倍； ③ 接管公稱外徑小于或等于 89 mm ； ④ 接管最小壁厚滿足表 10 的要求 。 表 9 接管最小壁厚 公稱直徑 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小壁厚 注： 540b MPa? ? 時(shí)，接管與殼體的連接宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)型式。 １ mm。 （ 2） 補(bǔ)強(qiáng)形式 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的形式主要可分為四類。 ① 內(nèi)加強(qiáng)接管 補(bǔ)強(qiáng)金屬配置在容器或接管的內(nèi)側(cè) ； ② 外加強(qiáng)接管 補(bǔ)強(qiáng)金屬配置在容器或接管的外側(cè) ； ③ 對(duì)稱加強(qiáng)的凸出接管 補(bǔ)強(qiáng)金屬對(duì)稱低配置在接管插入或外伸側(cè) ； ④ 密集補(bǔ)強(qiáng) 補(bǔ)強(qiáng)金屬集中配置在接管與容器連接處。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 33 頁(yè) 共 39 頁(yè) （ 3） 補(bǔ)強(qiáng)方法 常見(jiàn)的補(bǔ)強(qiáng)方法有：等截面積補(bǔ)強(qiáng)法、極限分析補(bǔ)強(qiáng)法、壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法（適用于大開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算）。 （ 4） 補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)原則 等截面積補(bǔ)強(qiáng)法：貼板補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)原則規(guī)定，局部補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積應(yīng)大于或等于因開(kāi)孔所削弱的殼體截面積。這 種設(shè)計(jì)偏于保守且比較繁瑣，但使用歷史較長(zhǎng)，受靜壓條件下結(jié)果比較可靠，目前被較多的設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。 極限分析補(bǔ)強(qiáng)法：這種設(shè)計(jì)方法的基本出發(fā)點(diǎn)是殼體開(kāi)孔后的屈服壓力基本上等于未開(kāi)孔時(shí)的屈服壓力，并使開(kāi)孔周圍的不連續(xù)應(yīng)力和一次薄膜應(yīng)力迭加后總應(yīng)力小于兩倍屈服極限（三倍許用應(yīng)力），這種設(shè)計(jì)方法僅允許采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。 等截面積補(bǔ)強(qiáng)法 （ 1） 適用范圍 適用范圍如下表 10 所示。 表 10 等截面積補(bǔ)強(qiáng)法適用范圍 等截面積補(bǔ)強(qiáng)法可用于受內(nèi)壓（或外壓）的筒體，凸形封頭，平板蓋的開(kāi)孔設(shè)計(jì)，使用這種補(bǔ)強(qiáng)法時(shí)，在殼體上 允許的最大開(kāi)孔直徑 d 為： 內(nèi)徑 Di≤ 1500mm 內(nèi)徑 Di1500mm 筒體 12 idD? 且 D≤500mm d≤ Di31 且 d≤1000mm 凸頭殼形或封球 Dd i21? 錐形封頭 d≤ Di31 （ Di 為開(kāi)孔中心處的錐體內(nèi)直徑） 橢圓或碟形封頭過(guò)渡區(qū) 若在橢圓或碟形封頭過(guò)渡區(qū)開(kāi)孔時(shí)，其孔的中心線宜垂直于封 頭表面 若開(kāi)孔直徑超出了上述范圍，則開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)須作特殊考慮，必要時(shí)，應(yīng)做驗(yàn)證性水壓試驗(yàn)，以校核設(shè)計(jì)的可靠性。 （ 2） 等面積補(bǔ)強(qiáng)法設(shè)計(jì)計(jì)算公式 有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 34 頁(yè) 共 39 頁(yè) m a x( 2 , 2 2 )n n tB d d ??? ? ? 2itd d C?? 式中 ： id — 接管內(nèi)直徑， mm； tC — 接管厚度附加量， mm； 12t t tC C C?? 式中： 1tC — 接管壁厚負(fù)偏差， mm； 2tC — 接管腐蝕裕度， mm； 有效補(bǔ)強(qiáng)高度： 1 nthd?? 2 nthd?? 式中： 1 h — 外伸有效補(bǔ)強(qiáng)高度， mm； 2h — 內(nèi)伸有效補(bǔ)強(qiáng)高度， mm； nt? — 接管實(shí)際厚度， mm。 因開(kāi)孔而削弱的金屬面積： 2 ( ) (1 )n t rA d C f? ? ?? ? ? ? 式中： A — 因開(kāi)孔而削弱的金屬截面積， 2mm ； ? — 殼體的計(jì)算壁厚 mm； d — 考慮腐蝕裕度后的開(kāi)孔內(nèi)直徑， mm； C — 厚度附加量， mm； rf — 強(qiáng)度削弱系數(shù)， mm； 超出計(jì)算厚度的金屬面積： 1 ( ) [ ( ) ] 2( ) ( ) ( 1 )n n t n rA B d C C C f? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 1 2 22 [ ( ) ] 2 ( C )n t t r n t rA h C f h C f? ? ?? ? ? ? ? ? 式中： 1A — 殼體多余金屬截面積， 2mm ； 2A — 接管多余截面積， 2mm ； ? — 殼體計(jì)算壁厚， mm； n? — 殼體的實(shí)際壁厚