某真空容器室模態(tài)及地震響應(yīng)譜分析

褚 宇，羅 陽(yáng)，陳 建，易 亮，吳紹祥

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610065)

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

某真空容器室模態(tài)及地震響應(yīng)譜分析

褚 宇，羅 陽(yáng)，陳 建，易 亮，吳紹祥

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610065)

以某型號(hào)真空容器室為研究對(duì)象，利用SolidWorks軟件建立和簡(jiǎn)化真空容器室三維模型并導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)真空容器室的靜態(tài)應(yīng)力和10階非零模態(tài)頻率進(jìn)行求解；利用SeismoSignal軟件將El-Centro地震數(shù)據(jù)通過(guò)傅里葉變換為頻域地震波譜，導(dǎo)入Response Spectrum模塊進(jìn)行模擬地震作用下的響應(yīng)譜分析，得到等效應(yīng)力和方向位移云圖。分析結(jié)果表明該型號(hào)真空容器室滿足抗震性設(shè)計(jì)要求。

真空容器室；ANSYS Workbench；有限元分析；模態(tài)；地震響應(yīng)譜

spectrum

真空容器室是環(huán)境模擬系統(tǒng)的重要組成部件之一，主要用于放置各類試驗(yàn)設(shè)備、搭載各類試驗(yàn)平臺(tái)并且承受外壓力。真空容器的抗震性直接影響著整個(gè)環(huán)境模擬系統(tǒng)的穩(wěn)定性，真空容器室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行地震譜校驗(yàn)分析，確定真空容器室的結(jié)構(gòu)是否滿足抗震性設(shè)計(jì)要求[1-3]。

地震波是一種不規(guī)律震蕩波，主要分為水平地震波和垂直地震波。將地震波分解在笛卡爾坐標(biāo)系X,Y,Z軸上可以看出加速度大小方向，慣性力大小方向，位移量大小方向隨時(shí)間的推移非周期性變化。傳統(tǒng)的計(jì)算方法可以粗略計(jì)算模型的低階固有頻率，無(wú)法結(jié)合地震譜進(jìn)行譜響應(yīng)的分析[4-5]。基于此利用Ansys Workbench軟件將真空容器的模態(tài)分析結(jié)果與地震譜聯(lián)系起來(lái)計(jì)算真空容器室的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)位移量，分析過(guò)程如圖1所示。

圖1 分析過(guò)程示意圖

1 真空容器室的有限元模型建立

大多數(shù)真空容器室主要由筒體、封頭、門(mén)、冷卻水套、法蘭、管道等組成[1]。真空容器室工作環(huán)境通常處于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，主要受力部分為筒體四周，封頭和門(mén)。此外，由于容器支撐鞍座的位置排布的影響，整個(gè)筒體也承受彎矩作用。分析過(guò)程中筒體與封頭，筒體與門(mén)之間，筒體與加強(qiáng)筋之間采用綁定接觸(Bonded)，模擬螺栓連接與焊接連接，對(duì)結(jié)果影響較小。整個(gè)真空容器室總長(zhǎng)14 400 mm,直徑5 496 mm，壁厚22 mm,加強(qiáng)圈之間間距1 810 mm。主容器頂部?jī)蓚€(gè)DN1250低溫泵法蘭，側(cè)面有DN1250法蘭、DN1800的法蘭、太陽(yáng)模擬器光光筒。真空容器筒體封頭采用304不銹鋼，加強(qiáng)圈采用Q345鋼。真空容器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，真空容器化簡(jiǎn)后三維模型如圖3所示。

1.門(mén); 2.真空容器筒體; 3.加強(qiáng)圈; 4.封頭

圖3 化簡(jiǎn)后的真空容器室三維模型

2 真空容器室靜應(yīng)力分析

根據(jù)真空容器實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)計(jì)算機(jī)模型施加約束條件，定義邊界條件。將原鞍座支撐位表面映射到筒體表面并添加固定約束。載荷布置為主容器頂部?jī)蓚€(gè)DN1250低溫泵法蘭均附加豎直向下的16.8 t重量(包括大氣壓力，低溫泵、控制閥門(mén)及其管道的重力約4.5 t)；側(cè)面DN1250法蘭端面施加1.23×105N的大氣壓力；DN1800的法蘭端面施加2.54×105N的大氣壓力；太陽(yáng)模擬器光光筒施加47 600 N的大氣壓力；筒體自身受到重力的作用，以Z軸反方向施加到筒體上；此外，整個(gè)真空容器室外加均勻分布1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。調(diào)用Static Structure模塊，應(yīng)力分析結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4 真空容器室總變形云圖

圖5 真空容器室等效應(yīng)力云圖

由云圖可知，在實(shí)際工作環(huán)境中，真空容器室的最大應(yīng)力為165.13 MPa，主要作用在加強(qiáng)圈與太陽(yáng)模擬器光光筒表面的交界處，其值小于材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求，最大位移為2.554 8 mm，兩個(gè)DN1250低溫泵法蘭處變形量最大，最容易發(fā)生破壞。

3 真空容器室模態(tài)分析

模態(tài)分析是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，是響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、諧響應(yīng)分析等的基礎(chǔ)[6]。采用施加約束的模態(tài)分析，在前述分析的基礎(chǔ)上添加Modal模塊，模擬真實(shí)工作環(huán)境中真空容器室的固有頻率。提取前10階非零模態(tài)頻率如圖6所示。

圖6 真空容器室前10階模態(tài)頻率

通過(guò)階數(shù)-頻率圖分析知，前10階的頻率范圍集中在20.889～62.44 Hz范圍內(nèi)。其中，2階與3階，4階與5階，7階與8階頻率基本相同。利用ANSYS Workbench對(duì)1、2、4、7、9、10階模態(tài)的總變形量進(jìn)行分析，從上至下分別1、2、4、7、9、10階模態(tài)如圖7所示。

通過(guò)變形量云圖，我們可知在7階頻率為55.509 Hz時(shí)，真空容器室變形最劇烈，變形值最大，為1.388 7 mm，容易發(fā)生破壞，此時(shí)破壞主要集中在X軸方向。

4 譜處理

地震譜通常由地震儀記錄，按時(shí)間間隔Δt采樣，采樣值為xm，加速的時(shí)間函數(shù)為[7]：

xm=f(m·Δt)

(1)

式中m為采樣點(diǎn)的數(shù)量。

圖7 真空容器室模態(tài)下總變形量比較

時(shí)域分析較為形象直觀。利用上述計(jì)算公式，可在時(shí)域上對(duì)地震波作用下的真空容器室進(jìn)行譜響應(yīng)分析，但計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。

頻域分析則較為簡(jiǎn)練，剖析問(wèn)題深刻。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，使用傅里葉變換方法將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，將大大提高數(shù)據(jù)處理的速率。SeismoSignal軟件是目前地震波處理中常用的將時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域的軟件。

響應(yīng)譜分為單點(diǎn)響應(yīng)譜和多點(diǎn)響應(yīng)譜。單點(diǎn)響應(yīng)譜是指在模型的一個(gè)點(diǎn)集上定義一條響應(yīng)譜；多點(diǎn)響應(yīng)譜是指在模型的多個(gè)點(diǎn)集上定義多條響應(yīng)譜[8-9]。本文采用單點(diǎn)響應(yīng)譜分析，地震位移譜的作用方向?yàn)閄軸方向。

目前，EI-Centro波、Taft波和遷安地震波是結(jié)構(gòu)抗震性分析中常用的地震波[10]。采用EI-Centro波，將南北方向地震波載入SeismoSignal軟件后，獲得振幅與頻率的關(guān)系如圖8所示。由圖置基線校準(zhǔn)為線性Linear；設(shè)置帶通濾波頻率區(qū)間為[-0.1 Hz，-15 Hz]。

5 真空容器室地震響應(yīng)譜分析

通過(guò)SeismoSignal軟件擬合(阻尼值為0.05)，求出EI-Centro波的位移頻譜如圖9所示。

圖8 振幅與頻率

圖9 EI-Centro波的位移頻譜

地震響應(yīng)譜分析是一種頻域分析，從頻域的角度計(jì)算目標(biāo)結(jié)構(gòu)的峰值響應(yīng)，確定目標(biāo)結(jié)構(gòu)的抗震性。其輸入為振動(dòng)載荷的頻譜，如地震加速度頻譜、速度頻譜、位移頻譜等。

經(jīng)過(guò)前述步驟，真空容器室的靜態(tài)應(yīng)力分析、模態(tài)分析、地震譜處理已經(jīng)完成。

利用響應(yīng)譜分析法對(duì)真空容器室進(jìn)行抗震性分析，采用ANSYS Workbench中Response Spectrum模塊將目標(biāo)模態(tài)分析結(jié)果與已知的頻譜聯(lián)系起來(lái)，計(jì)算目標(biāo)結(jié)構(gòu)位移量、速度、加速度、力、應(yīng)力等。

將地震位移頻譜數(shù)據(jù)帶入模塊計(jì)算，得真空容器室在地震頻譜作用情況下的等效應(yīng)力與等效應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。X、Y、Z軸方向位移如圖11所示。從上至下分別為X方向位移、Y方向位移、Z方向位移。

圖10 真空容器室地震譜響應(yīng)等效應(yīng)力與等效應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)云圖，可知在EI-Centro地震譜激勵(lì)的作用下，真空容器室最大屈服強(qiáng)度為119.74 MPa,主要集中在加強(qiáng)圈處，遠(yuǎn)低于材料Q345鋼的屈服極限。由三個(gè)方向上的位移云圖可知，最大變形量處于X軸方向?yàn)?.218 1 mm，通過(guò)查詢相關(guān)資料，表明該變形量處于合理范圍內(nèi)，該真空容器滿足抗震性設(shè)計(jì)要求[11]。

圖11 真空容器室地震譜響應(yīng)在XYZ方向上的位移云圖

6 結(jié)論

從構(gòu)建真空容器室模型到加載后進(jìn)行地震譜響應(yīng)分析計(jì)算，結(jié)果表明：真空容器室滿足靜應(yīng)力強(qiáng)度的要求；對(duì)地震頻譜的響應(yīng)較好，結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力分布均勻，位移量較小，結(jié)構(gòu)許用壓應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。該真空容器室在不考慮其他外加載荷的情況下，可以抵抗7級(jí)地震。本文研究的真空容器室滿足抗震、減震要求。

此分析方法能為真空容器室的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持和參考。

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[4] 劉立杰,王爽.大型垂直光學(xué)檢測(cè)與空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備真空容器結(jié)構(gòu)的有限元分析[C]//中國(guó)真空學(xué)會(huì)2012學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.蘭州：[出版地不詳]，2012.

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(責(zé)任編輯楊繼森)

ModalAnalysisandSeismicResponseSpectrumAnalysisofVacuumChamber

CHU Yu, LUO Yang, CHEN Jian, YI Liang, WU Shaoxiang

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

At the beginning of designing, the anti-seismic problems should be considered, especially in the Vacuum Chamber. We used the SolidWorks software to establish the three-dimensional model of Vacuum Chamber, and the model was simulated and analyzed by finite element analysis software ANSYS Workbench. The top 10 order non-zero modal frequency were obtained after the analysis. We used SeismoSignal software to changed the Seismic Spectrum from the time domain to the frequency domain by Fourier transform. Finally, simulation analysis of displacement response spectrum of simulated earthquake action was carried out, and the equivalent stress and the direction of displacement were obtained. The result shows that the Vacuum chamber achieves the design requirements of earthquake intensity.

vacuum chamber; ANSYS Workbench; finite element analysis; modal; seismic response

2017-04-12；

：2017-05-02

：四川省科技廳項(xiàng)目“大型智能環(huán)境模擬設(shè)備制造技術(shù)及應(yīng)用”(2016GZ0159)； 工信部智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目“高真空分子泵智能制造車間”(2016062)

褚宇(1993—)，男，碩士，主要從事環(huán)境模擬設(shè)備設(shè)計(jì)與制造研究。

羅陽(yáng)(1969—)，男，工學(xué)博士，教授，主要從事環(huán)境模擬設(shè)備設(shè)計(jì)與制造研究。

10.11809/scbgxb2017.09.039

format:CHU Yu, LUO Yang, CHEN Jian, et al.Modal Analysis and Seismic Response Spectrum Analysis of Vacuum Chamber[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):184-187.

TJ86;P315.8;TP391.9

：A

2096-2304(2017)09-0184-04

本文引用格式：褚宇，羅陽(yáng)，陳建，等.某真空容器室模態(tài)及地震響應(yīng)譜分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):184-187.