1.一种变厚封头,具有一中心轴(01),变厚封头包括向下弯曲的球头(1)、连接于球头端部且沿球头弯曲方向朝外延伸的环部(2)、以及连接于环部的底端并竖直向下延伸的筒体(3),球头、环部、筒体均绕中心轴设置;球头的中间位置处具有一顶部(4)、球头与环部的连接处具有关节部(5);其特征在于:球头包括一第一减薄区(11)、连接于第一减薄区端部并延伸至关节部的第一增厚区(12),环部包括连接于关节部的第二增厚区(21)、连接于第二增厚区并延伸至环部与筒体的连接处的第二减薄区(22),筒体包括自环部与柱的连接处延伸至柱的底端(7)端部的第三减薄区(31);其中,
第一增厚区、第二厚区的径向厚度相等且均设为t2,第一减薄区、第二减薄区(22)、第三减薄区(31)的径向厚度相等且均设为t1,设定变厚封头的变厚系数δ,t1=t2*δ。
2.根据权利要求1所述的变厚封头,其特征在于,在变厚封头沿其中心轴方向上的截面内,第一增厚区的弧长为L1,第二增厚区的弧长为s1,环部的外环面弧长为s,其中s1小于s,且L1小于s。
3.根据权利要求1所述的变厚封头,其特征在于,第一减薄区、第一增厚区、第二增厚区、第二减薄区、第三减薄区的外表面依次平滑串联;第一增厚区与第二增厚区的内侧表面平滑连接;第二减薄区与第三减薄区的内侧表面平滑连接;第一减薄区、第二减薄区、第三减薄区的内侧表面相对于第二增厚区沿径向内凹设置。
4.根据权利要求1所述的变厚封头,其特征在于,变厚系数δ的取值范围为0.2至1;当变厚系数δ等于1时,变厚封头为均厚封头。
5.根据权利要求1所述的变厚封头,其特征在于,所述变厚封头为不锈钢结构件,变厚封头的材料属性包括:弹性模量E、屈服强度σy以及泊松比μ。
6.一种应用于权利要求1至5中任一项所述的变厚封头的设计方法,其特征在于,所述设计方法包括以下步骤:
(01)、选取一现有蝶形封头作为变形前封头,确定相对于变形前封头变厚的变厚封头的增厚范围、减薄范围:在变厚封头沿其中心轴方向上的截面内,选取变厚封头的第一增厚区的弧长L1,第二增厚区的弧长s1,环部的外环面弧长为s,其中s1小于s,且L1小于s;设定第一增厚区、第二增厚区的径向厚度均为t2,第一减薄区、第二减薄区、第三减薄区的径向厚度均为t1;计算变厚封头的变厚系数为δ,其中t1=t2*δ;
(02)、选取筒体外侧表面之间的距离D并作为变厚封头的直径、球头球面的半径R、筒体的高度H、球头球面从关节部延伸至顶部的弧长L、环部的半径r;计算变厚封头表面积Stotal、变厚封头的减薄区表面积Sthin、变厚封头的增厚区表面积Sthick分别为:Sthick=Stotal‑Sthin;
(03)基于变厚封头在不同变厚系数δ下的总体积与变形前封头在均匀厚度t下的总体积相等,根据步骤(02)获得的Stotal、Sthick、Sthin,确定变厚封头在不同变厚系数δ下的减薄区的径向厚度t1、增厚区的径向厚度t2;
(04)获取变厚封头的材料属性包括:弹性模量E、屈服强度σy及泊松比μ,建立变厚封头的仿真模型;利用仿真模型绘制变厚系数δ‑载荷系数k图,其中载荷系数k是变厚封头极限载荷与等厚封头极限载荷的比值;根据变厚系数δ‑载荷系数k图,选取载荷系数k大于1且随变厚系数δ增加而载荷系数k的值降低时所对应的变厚系数δ的取值范围,并作为有益变厚区间;拟合有益变厚区间下的变厚系数δ‑载荷系数k的函数方程;
(05)利用步骤(04)中的变厚系数δ‑载荷系数k的函数方程以获取载荷系数k,并获取变形前封头在均匀厚度t下的极限载荷,确定有益变厚区间内不同变厚系数δ下的变厚封头极限载荷预测模型为:
7.根据权利要求6所述的变厚封头的设计方法,其特征在于,在步骤(01)中,选取变厚系数δ的取值范围为0.2至1。
8.根据权利要求6所述的变厚封头的设计方法,其特征在于,在步骤(03)中,记变厚封头在不同变厚系数δ下的总体积V1,记变形前封头在均匀厚度t下的总体积V2,V1=V2;且V1、V2分别满足以下公式:
V1=Sthick*t2+Sthin*t1=Sthick*t2+Sthin*t2*δ;
V2=Stotal*t。
9.根据权利要求6所述的变厚封头的设计方法,其特征在于,在步骤(04)中,根据变厚系数δ‑载荷系数k图,选取载荷系数k大于1时所对应的变厚系数δ的取值范围,以作为有效变厚区间。
10.根据权利要求6所述的变厚封头的设计方法,其特征在于,在步骤(04)中,利用仿真模型绘制变厚系数δ‑载荷系数k图的步骤包括:利用仿真模型获得多个变厚系数δ的极限载荷、获得变厚系数δ=1时的极限载荷,分别计算所述多个变厚系数下的多个载荷系数,并在以变厚系数为横轴、以载荷系数为纵轴的笛卡尔坐标系中,标定由多个变厚系数下的载荷系数形成的坐标点所在位置,以绘制变厚系数δ‑载荷系数k图。