基于ANSYS的異型真空容器結構分析與改進

毛榮大，李 博，劉元亮*，毛亨國，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.浙江大學制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術重點實驗室，杭州 310027）

0 引言

空間環境模擬設備旨在地面環境中模擬太空的真空、冷黑和太陽輻射等環境，目前已廣泛地應用于航空航天等領域。真空容器是空間環境模擬設備的結構主體，可為設備運行和儀器測試等提供低氣壓有效空間[1]。在工作時內部為真空，外部承受大氣壓，且受自重作用。此外，根據設計和工作要求，內部還可能要承受液氮及熱沉自重載荷、吊裝載荷等。容器上開有功能孔、人門、低溫泵接口等，會對容器強度和穩定性造成一定影響[2]。此外，大型裝置的尺寸可達數十米高，且筒體外部有筋等強化結構，結構復雜。為保證真空容器安全運行，必須進行可靠設計和改進。

ANSYS是與壓力容器分析設計標準（JB4732-95）[3]相適應的有限元分析軟件，已廣泛應用于真空容器的應力分析和結構優化。藺曉建等[4]對薄壁二極鐵真空室進行了結構靜力分析，并進行多目標優化及結構優化。呂世增等[5]建立了真空容器可靠性優化數學模型，進而開發了真空容器可靠性優化設計專用軟件，有效提高了設計效率，還通過有限元模擬了真空容器大門法蘭結構的焊接過程[6]。此外，研究人員也對KTX真空室[7]、真空鍍膜設備真空室體[8]和綜合測試臺真空筒體[9]等進行了有限元分析和計算。

真空容器筒體結構多為圓筒形或球形，擬進行分析的是一異型真空容器（下部為方形結構、上部為半圓筒形結構）。關于真空容器的分析計算通常多為單容器，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波紋管進行連接，外壓作用下的受力并不平衡，固定約束處會承受較大的力。采用ANSYS對真空容器進行了應力分析和形變分析，并在此基礎上開展了人門開孔位置優化、底部固定約束強化和端面加強結構強化工作，可為類似真空容器的設計提供參考。

1 異形真空容器結構、受力和約束情況

真空容器的結構如圖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構，內徑為12 m；下部為方形結構，高度是4.5 m。立式容器的內徑為6 m。臥式容器筒體壁厚為24 mm，立式容器筒體壁厚為22 mm。為改善容器的應力分布狀態，在筒體上布置有加強圈和筋板。加強圈有兩種結構，臥式容器中部四個加強圈為強化型“工”字結構，在兩個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圈為“工”字結構，兩平行鋼板間僅焊接一塊不銹鋼板。人門孔考慮兩個位置，如圖1中I和II所示。為保證工作時不受其他容器形變和受力的影響，該真空容器通過波紋管與另一真空容器相連。筒體材料為S30408，加強圈和筋板材料為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，加強圈和筋板材料Q345R的密度取7 850 kg/m3。根據工作和設計需要，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 真空容器結構圖Fig.1 Structure of the vacuum vessel

2 有限元模型

采用Solid187單元進行建模、網格劃分和應力分析，對應力較為集中的部位進行局部網格加密，為減小運算量，取筒體的一半進行建模。經過網格獨立性考核，采用的網格總體數目為4 749 990，節點數目為8 769 391。對應力較為集中的底部定約束處和連接管及其附近區域進行了網格加密，局部網格如圖2所示。

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

強度校核依據JB4732-95《鋼制壓力容器—分析設計標準》，采用最大剪應力理論。應力線性化路徑的選取原則是：（1）觀察整體應力云圖，確定危險位置；（2）在危險位置沿壁厚方向最短距離處建立線性化路徑，讀取該路徑上各類型線性化應力強度值。S30408設計應力強度取137 MPa，Q345R設計應力強度取185 MPa。

3 結果分析

在設計壓力、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。對臥式容器下部方形結構部分，中部強化型加強圈之間筒體的形變量約為11 mm，而一般加強圈間的最大形變量可達20 mm，將人孔開于兩部分之間可能會引起人門壁面的扭曲變形。

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，因為波紋管連接的緣故，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，底部固定約束處的局部應力如圖5所示。其最大應力強度為784 MPa。與固定約束相連接的加強筋部位處，其一次薄膜應力強度為337.6 MPa，超過材料許用應力強度（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。針對筒體形變和強度計算結果，從幾個方面對筒體結構進行了改進，主要包括改變臥式容器人孔位置，容器底部固定約束處強化和端面外部加強結構強化。

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

3.1 臥式容器人孔位置優化

人孔位于I和II時，人孔端面垂直方向的形變如圖6所示。

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

人孔位于不同強度的兩個加強圈之間的位置I時，兩側加強圈強度不一致導致壁面形變不同步，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，最大相對形變量為4.29 mm。此外，人門端面左右兩部分的形變不對稱，進而影響法蘭密封性。改進后，將人孔設置在同樣強度的加強圈之間的位置II。此時，人孔法蘭端面垂直方向的相對形變量由4.29 mm降低至2.54 mm。人門端面左右兩部分的形變近似對稱，且從下往上形變量逐漸增大，有利于密封。結果表明，人孔要設計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人門法蘭密封帶來影響。

3.2 底部固定約束強化

因為連接管與另一真空容器相連，真空容器底部固定約束處會承受較大的力，并超過許用應力，且固定約束處有較大扭曲變形，引起容器整體的平移，這會嚴重影響真空容器及相關設備的正常工作?；诖?，在施加固定約束的加強圈與相鄰加強圈底部之間增加了π字型加強結構，如圖7所示。按此結構改進后，容器軸向方向的形變和固定約束處局部應力強度分別如圖8和圖9所示。

圖7 加強結構示意圖Fig.7 Schematic illustration of the strengthening structure

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

此時，固定加強圈底部基本無變形，筒體無明顯整體軸向位移；加強圈底部應力分析滿足要求，最大應力強度為645 MPa，取線性化路徑后，一次局部薄膜應力強度為250 MPa，一次加二次應力強度為256 MPa，均小于相應的許用應力強度。

3.3 端面加強結構強化

端面外部加強結構如圖10所示。原設計方案下，端面加強結構采用“工”字型，改進后的外部加強結構采用強化型“工”字結構，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。改進前，端面垂直方向形變量差為21.06 mm；強化端面后，最大差值減小為11.63 mm，降低了44.78%。

圖9 改進后固定約束處局部應力強度圖Fig.9 Local stress intensity at the fixed constraint after improvement

圖10 端面外部加強結構圖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 結論

對設計的異型真空容器（下部為方形結構、上部為半圓筒形結構）進行了有限元分析和改進，主要結論為：

（1）為保證容器的密封性，人門應開設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人門法蘭密封帶來的影響。

（2）對通過接管與另一真空容器相接的容器，在工作工況下關于外壓的受力不平衡，底部固定約束處會承受較大的力。若固定約束強度不足，會發生較大的扭曲變形，引起筒體整體的偏移。該工況下需要對底部固定約束進行強化，以保證結構強度，且形變量小。設計的“π”字型加強結構可以滿足要求。

（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，需要對外部加強結構進行強化。加強型“工”字結構，即在兩平行的鋼板間焊接兩塊不銹鋼板是有效的強化結構。