真空容器大門法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

韓 瀟，祁 妍，劉波濤

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 前言

空間環(huán)境模擬器是模擬衛(wèi)星在軌運(yùn)行中經(jīng)歷的主要空間環(huán)境的試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)。真空容器是空間環(huán)境模擬器的主體結(jié)構(gòu)，主要由筒體、封頭、大門法蘭、支座等組成?？臻g環(huán)境模擬器在工作狀態(tài)時(shí)，容器內(nèi)部為高真空環(huán)境，容器結(jié)構(gòu)承受外壓載荷。

由于衛(wèi)星試驗(yàn)需要通過容器大門進(jìn)出空間環(huán)境模擬器，因此容器大門必須安全可靠，不但要具有良好的密封性，而且不能削弱容器的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。大門法蘭作為大門開合連接件，又承擔(dān)著大門在自重和外壓載荷下的變形。容器大門是真空容器組成部件中成本高、加工難度大的關(guān)鍵部件。

本文通過實(shí)例分析，介紹了大門法蘭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。在同等設(shè)計(jì)條件和特征尺寸一致的情況下，對容器大門法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并基于有限元分析方法，對各結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，選出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到性能可靠、工藝簡單、重量輕、成本低的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 大門法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

真空容器法蘭主要有3種類型：松式法蘭、任意式法蘭和整體法蘭[1]。松式法蘭未能有效與容器筒體連接成一個(gè)整體，不具有整體連接的同等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一般不用作大門法蘭。任意式法蘭結(jié)構(gòu)形式較為靈活，其法蘭端框和容器筒體采用焊接結(jié)構(gòu)連接，并可通過增加加強(qiáng)筋以提高法蘭強(qiáng)度和剛度。整體法蘭主要是高頸法蘭，其端框、頸部與容器筒體有效地連接成一個(gè)整體，保證了筒體與法蘭同時(shí)受力，是容器大門法蘭常用的結(jié)構(gòu)形式。

整體法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)基于一系列基本假設(shè)，建立法蘭力學(xué)計(jì)算模型和數(shù)學(xué)處理方法，通過若干方程式來核算出法蘭的總體強(qiáng)度，其過程十分繁瑣。華托爾斯等人在分析了法蘭的應(yīng)力分布情況，確定了整體法蘭的最大應(yīng)力一是法蘭環(huán)內(nèi)圓柱面上的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，二是錐頸大端或小端外表面的軸向應(yīng)力，當(dāng)頸部斜度較大時(shí)，出現(xiàn)在錐頸小端，反之位于大端。經(jīng)過一系列推導(dǎo)和簡化后，得到了目前規(guī)范中的應(yīng)力計(jì)算公式[2-4]。法蘭高頸大端或小端的軸向應(yīng)力Hσ、法蘭環(huán)的徑向應(yīng)力Rσ、法蘭環(huán)的切向應(yīng)力Tσ計(jì)算表達(dá)式為

式中：f為整體法蘭頸部小端應(yīng)力與頸部大端應(yīng)力的比值；M為作用于筒體端部縱向截面的彎矩，N·mm；e、λ、z、Y為結(jié)構(gòu)系數(shù)。

圖 1為某大型空間環(huán)境模擬器容器大門整體法蘭結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)壓力p= 0.1 MPa，內(nèi)徑Di= 9 000 mm，外徑0D= 9 300 mm，法蘭有效厚度fσ=150 mm，頸部大端厚度1σ= 35 mm，頸部小端厚度0σ= 22 mm，錐頸高度h= 40 mm。設(shè)計(jì)主要是試差過程，通過預(yù)先確定法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸，分析其載荷和力矩，從而計(jì)算法蘭的應(yīng)力，使之滿足各項(xiàng)強(qiáng)度約束條件。

圖1 大門整體法蘭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of door holistic flange

按照彈性失效準(zhǔn)則，法蘭各應(yīng)力均應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力。但從應(yīng)力的實(shí)際分布形態(tài)和對失效的影響來分析，規(guī)定不同的應(yīng)力限制更加實(shí)際。如果法蘭發(fā)生屈服，則希望不在法蘭環(huán)部而在頸部，因?yàn)殄F頸上的軸向應(yīng)力是沿截面線性分布的彎曲應(yīng)力，并帶有局部性質(zhì)，少量屈服不會對法蘭環(huán)變形產(chǎn)生較大影響而導(dǎo)致泄漏。但如果允許頸部有過高應(yīng)力，則頸部載荷因重新分配會向法蘭環(huán)傳遞而導(dǎo)致法蘭環(huán)材料部分屈服，因此需要對錐頸和法蘭環(huán)的應(yīng)力平均值加以限制規(guī)定。整體法蘭強(qiáng)度校核一般建立以下約束條件：

真空容器常用結(jié)構(gòu)材料為不銹鋼 0Cr18Ni9，設(shè)計(jì)溫度為常溫，許用應(yīng)力為137 MPa。按照上述公式對該整體法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算校核，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2 基于FEA的法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

容器大門整體法蘭一般采由不銹鋼鍛件加工而成，造價(jià)高昂且制造工藝復(fù)雜。為減輕大門法蘭重量和減少制造成本，使設(shè)計(jì)的法蘭更為合理，在滿足強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)要求的前提下，基于有限元計(jì)算對法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

以上節(jié)設(shè)計(jì)的大門整體法蘭為例，考慮到法蘭環(huán)的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力要有足夠的安全性，選定法蘭有效厚度σf= 60 mm，并增加不同形式的筋板以減小法蘭軸向應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上確定了3種法蘭改進(jìn)方案：

1）空心法蘭：結(jié)構(gòu)采用60 mm厚法蘭環(huán)，在法蘭環(huán)與筒體外側(cè)間均布180塊厚度為20 mm的L型加強(qiáng)筋，法蘭截面形式為方形空心，總厚度與整體法蘭相同為150 mm。

2）短三角筋法蘭：結(jié)構(gòu)采用60 mm厚法蘭環(huán)，在法蘭環(huán)與筒體外側(cè)間均布180塊三角加強(qiáng)筋，筋板尺寸為128 mm×90 mm×20 mm，其中90 mm短直角邊沿筒體方向。

3）長三角筋法蘭：結(jié)構(gòu)采用60 mm厚法蘭環(huán)，在法蘭環(huán)與筒體外側(cè)間均布180塊三角加強(qiáng)筋，筋板尺寸為180 mm×70 mm×20 mm，其中180 mm長直角邊沿筒體方向。

2.1 有限元建模

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)密封要求，真空容器大門法蘭一般有兩個(gè)，分別與筒體和封頭焊接，并在其中一個(gè)法蘭上加工密封槽，安裝密封圈，通過氣動(dòng)夾具將兩個(gè)法蘭平行夾緊?；诜ㄌm結(jié)構(gòu)的對稱性，有限元計(jì)算模型以大門法蘭與筒體連接一側(cè)建立1/2模型?？紤]到筒體邊緣應(yīng)力衰減長度，將位于容器第一個(gè)加強(qiáng)筋圈之前的部分筒體與法蘭一起建模分析[5]。

計(jì)算平臺采用ANSYS有限元分析軟件，法蘭結(jié)構(gòu)主體采用20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元SOLID95，筋板采用4節(jié)點(diǎn)板殼單元SHELL63，所有的焊接均按固接處理。容器筒體和法蘭選用0Cr18Ni9材料，其特性見表1。

表1 大門法蘭材料性能參數(shù)Table 1 Material parameters of door flange

筒體外表面及大門法蘭外側(cè)面承受外壓載荷為0.1 MPa，密封圈壓力作用面承受載荷Pc由封頭外壓傳遞至法蘭，并均布到密封槽的側(cè)面和底面，計(jì)算公式為

式中：D0為大門法蘭外徑，mm；D1為法蘭密封槽內(nèi)直徑，mm；b為法蘭密封槽寬度，mm。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

應(yīng)用ANSYS對整體法蘭和上述3種改進(jìn)法蘭模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析求解，得到了各法蘭在外載荷作用下的位移和應(yīng)力，并計(jì)算出各法蘭質(zhì)量，見表2。

表2 大門法蘭有限元計(jì)算數(shù)據(jù)Table 2 Finite element analysis data of door flange

從上表可知，整體法蘭最大應(yīng)力為36.55 MPa，低于材料的許用應(yīng)力，并有一定的強(qiáng)度余量。法蘭密封面法向總位移為 0.281 mm，低于密封面的平面度要求，能夠保證密封要求。

短三角筋法蘭的位移量和應(yīng)力均遠(yuǎn)高于其他結(jié)構(gòu)，尤其是最大應(yīng)力值已經(jīng)接近材料的許用應(yīng)力。空心法蘭僅次于短三角筋結(jié)構(gòu)，應(yīng)力也接近整體法蘭的兩倍。長三角筋法蘭的位移量和應(yīng)力值與整體法蘭相差不大，其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在三角筋與筒體相連的尾部尖端，由于三角筋長度較大，對法蘭的彎曲提供了良好的支撐作用，盡管法蘭自身的抗彎剛度不大，但仍然獲得了較小的結(jié)構(gòu)位移，法蘭質(zhì)量也比整體法蘭減少了50%以上。

綜合考慮4種法蘭結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，設(shè)計(jì)中選用了長三角筋法蘭形式。4種大門法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖2～圖5所示。

圖2 整體法蘭應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution in the whole flange

圖3 空心法蘭應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution in the hollow flange

圖4 短三角筋法蘭應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution in flange with short triangle reinforcement

圖5 長三角筋法蘭應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution in flange with long triangle reinforcement

3 結(jié)束語

空間環(huán)境模擬器容器大門法蘭為非標(biāo)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的分析計(jì)算過程。本文在對大門法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析后，提出了大門法蘭強(qiáng)度校核條件和設(shè)計(jì)方法。由于大門整體法蘭造價(jià)高，加工難度大，因此通過對法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案改進(jìn)和評估及合理優(yōu)選，在應(yīng)力和變形基本相同的情況下,使法蘭質(zhì)量減輕了一半以上。目前大門法蘭結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的某大型空間環(huán)境模擬器已投入型號試驗(yàn)。

（Reference）

[1]GB150-1998.鋼制壓力容器[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1998

[2]丁伯民, 蔡仁良.壓力容器設(shè)計(jì)原理及工程應(yīng)用[M].北京： 中國石化出版社, 1992

[3]PVRC Active Project Descriptions & Status[R].PVRC, 2000

[4]蔡仁良.國外壓力容器及管道法蘭設(shè)計(jì)技術(shù)研究進(jìn)展[J].石油化工設(shè)備, 2003, 32(01)

[5]余偉煒, 高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京： 中國水利水電出版社, 2006