大型方箱真空容器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的有限元分析與優(yōu)化

胡乃濤

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110023）

由于大氣環(huán)境中的氧氣具有強氧化性，因此很多科學(xué)研究和生產(chǎn)都需要真空環(huán)境。在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著產(chǎn)量的增加，迫切需要大型真空環(huán)境。大型真空環(huán)境的設(shè)計非常復(fù)雜，需要考慮容器的強度、剛度和穩(wěn)定性，并且需要設(shè)計可靠的密封結(jié)構(gòu)。除此之外，在工業(yè)應(yīng)用中還需要考慮空間、工藝流程、工藝環(huán)境等，因此設(shè)計大型真空環(huán)境是個龐雜的系統(tǒng)問題。

有研究人員在大型真空容器的設(shè)計分析進行了大量工作，韓瀟[1]根據(jù)需求分析設(shè)計了圓筒形大型真空容器，并且對其不連續(xù)區(qū)域進行了應(yīng)力分析，對整體進行了穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設(shè)計，提高了大型真空容器的可靠性并且降低了成本，表明有限元法在大型真空容器的設(shè)計過程中是一個重要補充。孫志明等[2]對某大型圓形真空容器進行了設(shè)計，并且仔細(xì)描述了有限元分析過程，得出了總體變形量和法蘭變形量，并且進行了穩(wěn)定性分析，給真空設(shè)備開口法蘭補強提供了依據(jù)。孟冬輝等[3]為了提高空間利用率采用了大型方箱型真空容器，采用有限元分析對真空容器的強度、剛度和大型法蘭變形量進行了分析，最后進行屈曲分析，證明了容器設(shè)計滿足要求。

在分析文獻(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)，大型方箱真空容器受力情況較圓形容器差，設(shè)計過程復(fù)雜，但是方箱結(jié)構(gòu)具有空間利用率大的優(yōu)點。本文采用ANSYS-Workbench 軟件對大型真空方箱結(jié)構(gòu)的3 種方案、真空方箱門及轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)、支承結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，闡述了大型真空方箱結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的過程，為相關(guān)設(shè)計提供參考。

1 方箱真空容器結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照某環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計要求，對方形真空容器進行了設(shè)計，見圖1。真空容器為臥式方形結(jié)構(gòu)，有效空間為長6 400 mm、高3 450 mm、寬2 800 mm。容器前方布置直徑為150 mm 的觀察窗、前方兩側(cè)布置兩個門，根據(jù)設(shè)計要求，兩個門的大小相等，均為2 770 mm×1 390 mm 的方形門，該門及門框的變形量需要小于3 mm，真空容器總體變形量需要小于5 mm。

圖1 大型方箱真空容器結(jié)構(gòu)三維模型

方箱真空容器設(shè)計參考《真空設(shè)計手冊》[4]計算，由于內(nèi)部氣體具有腐蝕性，所以材料選取SUS304不銹鋼，容器支承采用桁架設(shè)計，材質(zhì)采用Q235A結(jié)構(gòu)鋼。

2 有限元分析

有限元分析是一種數(shù)值計算分析方法，首先分析前需要對實際問題進行合理簡化，分析箱體的強度和剛度時，對于底部支承僅保留了四角處的支承，模型整體左右對稱，因此采用的對稱分析，減少參與計算的實體，有效利用計算機資源分析問題。采用Workbench 默認(rèn)的實體單元，方箱箱體材料屬性按SUS304 的材料屬性設(shè)置，其中彈性模量取1.99×105MPa，泊松比取0.3，屈服極限取205 MPa，強度極限取520 MPa，許用應(yīng)力取137 MPa，密度取7 930 kg/m3。方箱支撐腿材料屬性按Q235A 的材料屬性設(shè)置，其中彈性模量取2×105MPa，泊松比取0.3，屈服極限取235 MPa，強度極限取375 MPa，許用應(yīng)力取138 MPa，密度取7 850 kg/m3。模型及劃分網(wǎng)格后的圖形如圖2 所示。

圖2 箱體簡化模型及網(wǎng)格劃分

2.1 載荷和約束

2.1.1 約束條件

方箱容器有4 個支承，由于方箱在實際工作中，4 個支承均通過螺栓固定到地基上，因此在有限元分析中，對4 個支承的底面均采用全約束。

2.1.2 載荷條件

考慮方箱結(jié)構(gòu)自重對結(jié)構(gòu)強度的影響，取重力加速度g=9.8 m/s2，方向豎直向下；方箱上、下、左、右、前、后6 個面在大氣壓強的作用下承受均布面載荷，壓強為大氣壓強，為101.325 kPa。加載后的模型如圖3 所示。

圖3 約束及加載情況

3 結(jié)果與分析

3.1 方箱優(yōu)化過程

模型一是沒有優(yōu)化的原始模型，模型二是優(yōu)化過程的中間模型，模型三是最終優(yōu)化的模型。對比模型一和模型二，模型二上部增加8 根加強梁，用來減小上板的變形、減小2 根長梁的變形所導(dǎo)致的應(yīng)力集中效應(yīng)，同時4 個側(cè)面和底面也一樣采用增加加強梁的方式減小變形和應(yīng)力集中。對比模型二和模型三，模型三比模型二底部增加了翼板、門處增加加強筋，用來進一步減少底部變形和兩個門處的變形所導(dǎo)致的應(yīng)力集中效應(yīng)，最終計算結(jié)果如圖4～6 及表1 所示。

表1 箱體最大VON-Mises 應(yīng)力和最大變形量

圖4 模型一內(nèi)部框架圖

圖5 模型二內(nèi)部框架圖

圖6 模型三及VON-Mises 應(yīng)力分析結(jié)果

模型三強度符合要求，并且變形量小，按照此結(jié)構(gòu)設(shè)計上腔體。

3.2 門計算結(jié)果

將門及轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)單獨進行有限元分析，將轉(zhuǎn)動裝置的加強筋增大為加強翼板，減少因為重力而導(dǎo)致的門在豎直方向的變形及綜合變形，同時減小最大應(yīng)力。經(jīng)過計算分析，優(yōu)化后門及轉(zhuǎn)軸最大VON-Mises 應(yīng)力為85.443 0 MPa，最大變形量為2.380 3 mm，最大豎直方向變形為1.251 5 mm。

在門設(shè)計過程中，由于有密封要求，因此在門開關(guān)過程中需要避免將密封圈損壞，并且需要和門框保留一定的間隙。綜合考慮受力變形和加工制造，門框和門在上下左右方向各留出4 mm 的設(shè)計間隙，要求門由于靜態(tài)變形導(dǎo)致的豎直方向的變形量小于2.5 mm，因此上述計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3.3 支腿計算結(jié)果

分析支腿過程中，將上箱體模型簡化掉，并且將箱體質(zhì)量38 t 均勻施加到上表面來計算支腿的應(yīng)力及變形。經(jīng)過計算分析，箱體支承最大VON-Mises 應(yīng)力為123.180 0 MPa、最大變形為1.828 3 mm，最大應(yīng)力和變形量均在許用范圍內(nèi)，因此強度符合設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

（1）在優(yōu)化設(shè)計大型方箱真空容器過程中，通過加強結(jié)構(gòu)強度最終獲得既滿足強度要求又滿足設(shè)計要求的方箱結(jié)構(gòu)，最終結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的最大VON-Mises 應(yīng)力為132.98 MPa，最大變形量為2.340 9 mm，滿足設(shè)計要求。

（2）由于門的尺寸較大，質(zhì)量也比較大，因此結(jié)構(gòu)剛度需要足夠才可以滿足自由開關(guān)門的要求，通過給轉(zhuǎn)軸添加加強筋的方式提高轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度，進而降低靜態(tài)變形量，通過優(yōu)化后的靜變形量為最大綜合變形為2.380 3 mm，最大豎直方向變形為1.251 5 mm，滿足使用要求。

（3）該大型方箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總質(zhì)量達(dá)到38 t，因此支承也需要滿足強度要求，經(jīng)過計算，最大VON-Mises 應(yīng)力為123.18 MPa，小于Q235 材料的許用應(yīng)力，滿足強度要求。

本文通過有限元方法對大型方箱結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，計算了箱體、門和支承的最大應(yīng)力以及最大變形，得到了滿足強度和設(shè)計要求的模型，提高了設(shè)計效率，降低了設(shè)計成本。希望通過大型方箱真空容器結(jié)構(gòu)設(shè)計的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計，為其他真空設(shè)備的設(shè)計起到借鑒作用。