拉伸载荷下楔环连接壳体的应力解析方法

　　楔环连接是一种新型的筒体连接方式，具有连接表面光顺、外形尺寸小、附加质量轻等优点，因此，楔环连接已经在鱼雷、导弹以及火箭发动机的壳体连接中得到应用。一般的楔环连接结构由被连接件以及楔环带组成，从力学模型看，楔环连接结构属于典型的面-面接触组合连接结构。

　　文献[1,2]给出了楔环连接外壳危险部位弯曲应力的一个表达式，然而该式为简化解，并且仅能给出一个危险部位的应力，而且该式中的结构因子如何取值没有明确说明。针对火箭发动机壳体用楔环连接，文献[3]进行了应力光弹实验分析，实验中该楔环连接结构光弹模型同时承受了轴向力和横向力，实验结果表明，相比于其他部位，环腔段的壳体应力水平较高。文献[4]通过尺寸优化降低了恒定载荷下楔环连接处的局部应力，文献[5]利用轴对称有限元模型研究了楔环连接结构公差配合对结构应力和变形的影响，文献[6]给出了通过光学方法对圆筒型楔环连接结构位移进行测试的方法。

　　文献调研表明楔环连接结构应力和位移的解析方法研究是不充分的，然而，解析解对楔环连接结构设计有着至关重要的意义，因此，本文分析楔环连接结构承受拉伸载荷时的壳体应力，采用力法给出环-壳连接截面的位移协调方程，根据位移协调方程给出拉伸载荷下楔环连接壳体的内力精确解法。当环腔段壳体足够长时，讨论壳体截面内力的简化解法。最后，还将通过算例对用两种解法得到的关键部位应力和位移进行比较。

　　1 楔环连接壳体内力精确解

　　1.1 楔环连接结构力学模型

　　图 1 为一楔环连接结构示意图，由图可见两段圆筒壳体对接处做有相应的连接形式，其中内壳体B 件的端面外部制有阶梯形，可形成外环形槽，外壳体 A 件内部制有内环形槽，两段壳体对接后便形成矩形截面的环型空腔，即楔环腔。楔环连接的原理为用一对直角三角形的金属带弯制成楔带，分别从安装孔处以相反的方向插入楔环腔内，相互楔紧以后用填块固定，然后用盖板封住安装孔，以保持原来的壳体外形。

　　考虑到环带之间的自锁现象[2]，可将两根楔环带看成一根矩形截面的环带，这样，楔环连接结构的力学模型为三体接触模型，进行拉伸载荷下的应力解析分析时，可将 A 件、B 件以及环带之间的接触关系以接触力代替，便于对 A、B 壳体单独进行力学分析。

　　分析时可将 A 件环腔对应的壳体部分看成短圆柱形壳，短圆柱形壳左右两端被看成与具有横截面不变形的弹性环对接，其余部分为长圆柱形壳。B 件的力学模型与 A 件的力学模型简化相一致，A、B 件之间为矩形截面的环带。由于外壳 A 件和 B 件的力学模型及应力分析方法相同，以下仅对外壳 A件进行分析。