基于ANSYS的異型真空容器結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

毛榮大，李 博，劉元亮*，毛亨國(guó)，余鐵浩，周杭生，魏健健，金 滔

（1.杭州杭氧低溫容器有限公司，杭州 311107；2.浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027）

0 引言

空間環(huán)境模擬設(shè)備旨在地面環(huán)境中模擬太空的真空、冷黑和太陽(yáng)輻射等環(huán)境，目前已廣泛地應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。真空容器是空間環(huán)境模擬設(shè)備的結(jié)構(gòu)主體，可為設(shè)備運(yùn)行和儀器測(cè)試等提供低氣壓有效空間[1]。在工作時(shí)內(nèi)部為真空，外部承受大氣壓，且受自重作用。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)和工作要求，內(nèi)部還可能要承受液氮及熱沉自重載荷、吊裝載荷等。容器上開(kāi)有功能孔、人門(mén)、低溫泵接口等，會(huì)對(duì)容器強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成一定影響[2]。此外，大型裝置的尺寸可達(dá)數(shù)十米高，且筒體外部有筋等強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為保證真空容器安全運(yùn)行，必須進(jìn)行可靠設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

ANSYS是與壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（JB4732-95）[3]相適應(yīng)的有限元分析軟件，已廣泛應(yīng)用于真空容器的應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。藺曉建等[4]對(duì)薄壁二極鐵真空室進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析，并進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。呂世增等[5]建立了真空容器可靠性?xún)?yōu)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了真空容器可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件，有效提高了設(shè)計(jì)效率，還通過(guò)有限元模擬了真空容器大門(mén)法蘭結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程[6]。此外，研究人員也對(duì)KTX真空室[7]、真空鍍膜設(shè)備真空室體[8]和綜合測(cè)試臺(tái)真空筒體[9]等進(jìn)行了有限元分析和計(jì)算。

真空容器筒體結(jié)構(gòu)多為圓筒形或球形，擬進(jìn)行分析的是一異型真空容器（下部為方形結(jié)構(gòu)、上部為半圓筒形結(jié)構(gòu)）。關(guān)于真空容器的分析計(jì)算通常多為單容器，其在大氣中外壓作用下的力平衡。而文章的異型容器還與另一真空容器通過(guò)波紋管進(jìn)行連接，外壓作用下的受力并不平衡，固定約束處會(huì)承受較大的力。采用ANSYS對(duì)真空容器進(jìn)行了應(yīng)力分析和形變分析，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了人門(mén)開(kāi)孔位置優(yōu)化、底部固定約束強(qiáng)化和端面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化工作，可為類(lèi)似真空容器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 異形真空容器結(jié)構(gòu)、受力和約束情況

真空容器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體部分是承受外壓的臥式容器和立式容器。臥式容器的上部為半圓筒形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為12 m；下部為方形結(jié)構(gòu)，高度是4.5 m。立式容器的內(nèi)徑為6 m。臥式容器筒體壁厚為24 mm，立式容器筒體壁厚為22 mm。為改善容器的應(yīng)力分布狀態(tài)，在筒體上布置有加強(qiáng)圈和筋板。加強(qiáng)圈有兩種結(jié)構(gòu)，臥式容器中部四個(gè)加強(qiáng)圈為強(qiáng)化型“工”字結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)平行的鋼板間焊接兩塊不銹鋼板，端部和筒體其他部位加強(qiáng)圈為“工”字結(jié)構(gòu)，兩平行鋼板間僅焊接一塊不銹鋼板。人門(mén)孔考慮兩個(gè)位置，如圖1中I和II所示。為保證工作時(shí)不受其他容器形變和受力的影響，該真空容器通過(guò)波紋管與另一真空容器相連。筒體材料為S30408，加強(qiáng)圈和筋板材料為Q345R。

工作工況下，筒體外部承受0.1 MPa的大氣壓力，內(nèi)部為真空，而連接管端面不受大氣壓力作用。此外，容器受自重作用，且筒體材料S30408的密度取7 930 kg/m3，加強(qiáng)圈和筋板材料Q345R的密度取7 850 kg/m3。根據(jù)工作和設(shè)計(jì)需要，沿筒體軸向分布有3～10 t不等的熱沉自重載荷及液氮載荷。約束施加于底部的加強(qiáng)筋兩端，其中位置A、B、C、D、E、F處限制高度方向位移，G、H處為固定約束。

圖1 真空容器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the vacuum vessel

2 有限元模型

采用Solid187單元進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析，對(duì)應(yīng)力較為集中的部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，為減小運(yùn)算量，取筒體的一半進(jìn)行建模。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性考核，采用的網(wǎng)格總體數(shù)目為4 749 990，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為8 769 391。對(duì)應(yīng)力較為集中的底部定約束處和連接管及其附近區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，局部網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 異形真空容器局部網(wǎng)格圖Fig.2 Local mesh for the special-shaped vacuum vessel

強(qiáng)度校核依據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，采用最大剪應(yīng)力理論。應(yīng)力線(xiàn)性化路徑的選取原則是：（1）觀(guān)察整體應(yīng)力云圖，確定危險(xiǎn)位置；（2）在危險(xiǎn)位置沿壁厚方向最短距離處建立線(xiàn)性化路徑，讀取該路徑上各類(lèi)型線(xiàn)性化應(yīng)力強(qiáng)度值。S30408設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度取137 MPa，Q345R設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度取185 MPa。

3 結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)壓力、自重和附加自重載荷下，容器整體形變和軸向方向的形變分別如圖3、圖4所示。對(duì)臥式容器下部方形結(jié)構(gòu)部分，中部強(qiáng)化型加強(qiáng)圈之間筒體的形變量約為11 mm，而一般加強(qiáng)圈間的最大形變量可達(dá)20 mm，將人孔開(kāi)于兩部分之間可能會(huì)引起人門(mén)壁面的扭曲變形。

圖3 容器整體形變圖Fig.3 Overall deformation of the vessel

圖4 容器軸向方向形變圖Fig.4 Axial deformation of the vessel

同時(shí)，因?yàn)椴y管連接的緣故，容器軸向方向的受力并不平衡，容器整體向接管方向偏移約11 mm，且底部固定約束處有較大扭曲變形。此時(shí)，底部固定約束處的局部應(yīng)力如圖5所示。其最大應(yīng)力強(qiáng)度為784 MPa。與固定約束相連接的加強(qiáng)筋部位處，其一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為337.6 MPa，超過(guò)材料許用應(yīng)力強(qiáng)度（1.5Sm=277.5 MPa）。此外，與接管相連的端部因受大氣壓作用，有較大形變。針對(duì)筒體形變和強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，從幾個(gè)方面對(duì)筒體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，主要包括改變臥式容器人孔位置，容器底部固定約束處強(qiáng)化和端面外部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。

圖5 底部固定約束處局部應(yīng)力圖Fig.5 Local stress at the bottom fixed constraint

3.1 臥式容器人孔位置優(yōu)化

人孔位于I和II時(shí)，人孔端面垂直方向的形變?nèi)鐖D6所示。

圖6 人門(mén)垂直方向形變圖Fig.6 Vertical deformation of the human door

人孔位于不同強(qiáng)度的兩個(gè)加強(qiáng)圈之間的位置I時(shí)，兩側(cè)加強(qiáng)圈強(qiáng)度不一致導(dǎo)致壁面形變不同步，法蘭左上角形變量較大，為5.51 mm，而右下角形變量為1.22 mm，最大相對(duì)形變量為4.29 mm。此外，人門(mén)端面左右兩部分的形變不對(duì)稱(chēng)，進(jìn)而影響法蘭密封性。改進(jìn)后，將人孔設(shè)置在同樣強(qiáng)度的加強(qiáng)圈之間的位置II。此時(shí)，人孔法蘭端面垂直方向的相對(duì)形變量由4.29 mm降低至2.54 mm。人門(mén)端面左右兩部分的形變近似對(duì)稱(chēng)，且從下往上形變量逐漸增大，有利于密封。結(jié)果表明，人孔要設(shè)計(jì)在筒體形變較小或者形變一致的地方，以防止筒體自身的形變對(duì)人門(mén)法蘭密封帶來(lái)影響。

3.2 底部固定約束強(qiáng)化

因?yàn)檫B接管與另一真空容器相連，真空容器底部固定約束處會(huì)承受較大的力，并超過(guò)許用應(yīng)力，且固定約束處有較大扭曲變形，引起容器整體的平移，這會(huì)嚴(yán)重影響真空容器及相關(guān)設(shè)備的正常工作?；诖?，在施加固定約束的加強(qiáng)圈與相鄰加強(qiáng)圈底部之間增加了π字型加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。按此結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，容器軸向方向的形變和固定約束處局部應(yīng)力強(qiáng)度分別如圖8和圖9所示。

圖7 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic illustration of the strengthening structure

圖8 改進(jìn)后容器軸向方向的形變圖Fig.8 Axial deformation of the vessel after improvement

此時(shí)，固定加強(qiáng)圈底部基本無(wú)變形，筒體無(wú)明顯整體軸向位移；加強(qiáng)圈底部應(yīng)力分析滿(mǎn)足要求，最大應(yīng)力強(qiáng)度為645 MPa，取線(xiàn)性化路徑后，一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度為250 MPa，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度為256 MPa，均小于相應(yīng)的許用應(yīng)力強(qiáng)度。

3.3 端面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

端面外部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。原設(shè)計(jì)方案下，端面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用“工”字型，改進(jìn)后的外部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用強(qiáng)化型“工”字結(jié)構(gòu)，且沿接管均勻布置一圈筋板。圖11所示為端面垂直方向的形變。改進(jìn)前，端面垂直方向形變量差為21.06 mm；強(qiáng)化端面后，最大差值減小為11.63 mm，降低了44.78%。

圖9 改進(jìn)后固定約束處局部應(yīng)力強(qiáng)度圖Fig.9 Local stress intensity at the fixed constraint after improvement

圖10 端面外部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Strengthening structure outside the end face

圖11 端面垂直方向形變圖Fig.11 Vertical deformation of the end face

4 結(jié)論

對(duì)設(shè)計(jì)的異型真空容器（下部為方形結(jié)構(gòu)、上部為半圓筒形結(jié)構(gòu)）進(jìn)行了有限元分析和改進(jìn)，主要結(jié)論為：

（1）為保證容器的密封性，人門(mén)應(yīng)開(kāi)設(shè)在筒體形變較小或者形變一致的地方，以防止筒體自身的形變對(duì)人門(mén)法蘭密封帶來(lái)的影響。

（2）對(duì)通過(guò)接管與另一真空容器相接的容器，在工作工況下關(guān)于外壓的受力不平衡，底部固定約束處會(huì)承受較大的力。若固定約束強(qiáng)度不足，會(huì)發(fā)生較大的扭曲變形，引起筒體整體的偏移。該工況下需要對(duì)底部固定約束進(jìn)行強(qiáng)化，以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且形變量小。設(shè)計(jì)的“π”字型加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足要求。

（3）豎直端面垂直于大氣壓力的施加方向，為保證較小的形變量，需要對(duì)外部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化。加強(qiáng)型“工”字結(jié)構(gòu)，即在兩平行的鋼板間焊接兩塊不銹鋼板是有效的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。