关于固态介质静压法对壳体强度检测的研究

张德华，李海庆，李玉柱，孙宏涛，庞喜庆，刘 敏，韩 玮

(山西北方晋东化工有限公司，山西 阳泉 045000)

摘 要：采用固态介质静压法对薄壁金属壳体强度进行检测，通过建立模型，结合理论推导计算，对试验数据进行了分析和对比研究，提出了质量检验判据。针对有表面划痕的受损壳体，进行了强度分析、计算和测试，结果表明，采用固体弹性颗粒来代替液态介质的固态介质静压法是检测薄壁金属壳体强度的一种安全、有效且简易可行的测试方法。该检测方法具有一定的推广应用价值。

关键词：固态介质静压法；强度检测；薄壁金属壳体；固体弹性颗粒

对金属壳体零部件强度的检测是产品制造过程中的必要环节。常用的液态介质静压检测方法要求对壳体零件口部进行密封。而对于薄壁金属壳体(壁厚δ≤0.5 mm)，由于其结构尺寸所限，对其实现可靠密封较困难，且当壳体破裂时会有高压液体射流喷出，存在安全隐患，因而需加装安全防护设施，测试成本较高。为解决上述问题，本文研究采用能够充分传递压强的固态介质来代替液体进行静压测试。

1 试验方法

1.1 试验准备

试验设备为WE-5B型液压式万能试验机。

被试壳体样品为某型弹药战斗部壳体(见图1)。其属薄壁旋压件，壁厚δ≤0.5 mm。

图1 壳体简图

压强传导介质材料应选择具有良好的压强传导能力，保证压强可以得到均匀、充分的传导；且在高压作用下，当壳体破裂时，壳体内的传导介质不会喷射出来而产生安全问题的材料。

本文选用直径为2～3 mm的球形橡塑颗粒(见图2)来进行试验。该材料具有如下特点：1)体积小，表面光滑，具有较好的弹性和流动性，受压后不会粘结成为块状体，能很好地模拟液体，满足“液体内部压强处处相等”的要求；2)具有一定的变形和流动能力，也具有相对坚韧的界面，在高压下橡塑颗粒自身不会破裂，采用配合尺寸合适的简单工装即可密封，且壳体破裂后不会像油和水那样从破裂缝隙中喷射出来，产生射流，从而带来安全问题；3)造价便宜，适合大规模应用。

图2 橡塑颗粒

1.2 试验方案

具体试验方案为：用一定量的球形橡塑颗粒装满空壳体后，在上表面加装一个与壳体内径尺寸相同的圆柱形压块作为活塞(见图3)，在压块上方缓慢增加压力；当压力不再增大而壳体仍继续变形时，壳体达到屈服阶段，此时压力即为屈服载荷Fs。测试前、后壳体状态示意图如图4所示。

图3 活塞与壳体配合图

图4 加压前、后壳体变化示意图

2 测试原理

壳体在内应力作用下，其横截面和纵截面上都有应力产生，因此建立如下力学分析模型，并进行推导。

1)横截面上的正应力σx[1]。用横截面截取分离体如图5所示。在液压式万能材料试验机上，用一定量橡塑球形颗粒装满空壳体后，装入压块，当压力不再增大而壳体继续变形时，壳体达到屈服阶段，此时压力即为屈服载荷Fs。内应力为：

(1)

图5 横截面上受力分析示意图

根据在x轴方向上受力平衡，即：∑Fx=0，可得：

将式1代入，可得横截面上的正应力为：

(2)

2)纵截面上的正应力σθ。由2个相距为L的横截面及过x轴的纵截面截取半圆环分离体(见图6)。纵截面上的正应力沿圆周的切线方向。作用在半圆环上的内应力P在y方向的合力为：

由半圆环在y方向的平衡∑Fy=0，可得：

-2FNθ+FP=0

即：

将FNθ=σθLδ代入，得：

(3)

图6 纵截面上受力分析示意图

综上所述，轴向应力为σx，环向应力为σθ，壳体侧壁任一点的主应力为：σ1=PD/(2δ),σ2=PD/(4δ),σ3=0。

3)屈服极限σs。壳体材料为低碳钢，其拉压强度性能相同，适用于第三强度理论。于是壳体的屈服极限为：

(4)

3 静压测试及分析

壳体的强度与壁厚尺寸、表面质量、结构和热处理等多项因素有关，本文以壁厚尺寸和表面质量等2个方面的因素作为主要研究内容。本试验采用的试样结构和热处理工艺条件均一致，其中，试样1为表面无划痕、无其他损伤的外观合格壳体，试样2是预先在外表面进行过划痕破坏处理的壳体。

3.1 外观无损壳体(试样1)

从外观检验无损的壳体中随机抽取6个壳体(D=58.6 mm)，采用固态介质静压法，测出壳体达到屈服点时的屈服载荷Fs。测试后的壳体如图7所示，由图7可以看出，在壳体中间部位产生塑性变形，在周向形成一周连续的拱形凸起。根据式1和式4，计算出对应的内应力P和屈服极限σs。测试结果及对应的计算结果见表1。

图7 合格壳体测试后状态

表1 无损壳体(试样1)屈服极限试验数据表

序号屈服载荷Fs/kN内应力P/MPa壳体厚度δ/mm屈服极限σs/MPa121.57.980.28835.052269.640.30964.03327.510.200.31964.0643011.120.33987.3253111.490.34990.17632.512.050.351008.76

由上述试验结果可知，壳体的强度与其壁厚之间有较明显的相关性(见图8)。

图8 壳体的屈服强度与壁厚的关系

由图8数据可知，壳体强度随其壁厚尺寸的增大呈上升趋势，表明壳体的壁厚尺寸是影响壳体屈服强度的主要因素。考核壳体强度从最小极限的角度出发，因此可以取表1中的屈服极限最小值(σs=835.05 MPa)所对应的载荷(Fs=21.5 kN)作为强度合格检测标准值。若被试样品小于该标准值，即可判为强度不合格。

3.2 表面划痕壳体(试样2)

壳体表面出现划痕损伤后，其强度将会降低，当内应力达到一定程度时甚至会出现裂开。导致壳体在纵截面上裂开的应力是环向应力，也是第一主应力。在内应力的作用下，在壳体断裂之前，划痕所在的纵截面所能承受的最大环向应力即为强度极限σb，达到或超过此值时壳体将断裂。

由于在生产过程中壳体的主要缺陷多为表面划痕，因此在外观检验合格的壳体外表面上，沿壳体轴线方向划出一定长度且深度不同的直线划痕来模拟壳体受损后状态，经电镜观察测量后挑选相近的尺寸，并根据深度的不同进行分组并标号(见表2)。

表2 划痕壳体(试样2)表面划痕尺寸记录

序号深度/mm10.0520.1130.17

采用固态介度静压法，测出每个壳体断裂前所受到的最大载荷，并根据式1和式3计算出对应的内应力Pb、σθ和σb的值：

式中，δi为划痕深度；σb为划痕截面处的环向应力。试验结果表明，受损的壳体达到强度极限后，不会形成规则的塑性变形，而是直接沿侧壁表面的划痕裂开(见图9)，壳体内部装填的球形橡塑颗粒沿裂开处流散出来，不会形成高速度的喷溅物，可保证测试过程的安全。测试结果见表3。

图9 划痕壳体测试后状态

表3 划痕壳体(试样2)强度极限数据表

序号最大压力Fb/kN最大内应力Pb/MPa壳体壁厚δ/mm划痕深度δi/mm无划痕处环向应力σθ/MPa划痕处强度极限σb/MPa117.56.490.340.05760.63950.79211.84.380.350.11366.67534.7335.31.970.340.17169.77360.76

由表3可以看出，壳体划痕处与无划痕处环向应力相比，应力集中较明显。随着划痕深度的增加，壳体的强度极限大幅降低。

4 结语

从上述研究试验结果可知，利用固态介质橡塑弹性颗粒代替液态传导介质对薄壁壳体的强度检测方法，可较为准确地测定壳体的极限强度；在测试过程中，橡塑颗粒在壳体破裂后不会形成射流喷射出来，无安全隐患，样品可以随时测量，效率很高；测试数据表明，受损壳体达到强度极限后，不会形成规则的塑性变形，而是直接沿侧壁表面的划痕裂开，其强度极限也随划痕深度的增大而急剧降低。

该测试方法安全性好，简单实用，易于操作，测试成本低，可用于生产过程中对薄壁壳体的质量控制，在军、民品制造中均有一定的推广应用价值。

参考文献：

[1] 刘鸿文．材料力学[M].北京：高等教育出版社，2003.

责任编辑 马彤

Research on the Test of the Strength of the Shell by the Static Pressure Method

ZHANG Dehua, LI Haiqing, LI Yuzhu, SUN Hongtao, PANG Xiqing, LIU Min, HAN Wei

(Shanxi North Jindong Chemical Industry Co., Ltd., Yangquan 045000, China)

Abstract：Introduce the solid medium static pressure method for the test of thin wall metal shell strength test and research process. Through the establishment of model combined with theory calculation of the test data analysis and comparative study, the quality test criterion is proposed. The damaged casing scratches the surface of strength analysis, calculation and test. The results of the study show that: the elastic solid particles instead of the liquid solid medium static method is the test of thin metal shell strength of a safe, effective and simple and feasible test method. As a result, this method has certain values of popularization and application.

Key words：solid medium static pressure method, strength testing, thin-walled metal shell, solid elastic particles

中图分类号：TB 06

文献标志码：B

作者简介：张德华(1972-)，男，研究员级高级工程师，主要从事特种弹药和药剂研发等方面的研究。

收稿日期：2016-09-02