大型垂直光學檢測與空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備真空容器結(jié)構(gòu)的有限元分析
大型垂直光學檢測與空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備真空容器結(jié)構(gòu)的有限元分析
劉立杰 王 爽
(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
摘要:大型垂直光學檢測與空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備是我國第一臺為大口徑光學鏡頭研制提供真空環(huán)境的垂直檢測平臺,以及為中國自主研發(fā)下一代大口徑、長焦距、高分辨航天相機提供模擬空間軌道高真空、冷黑和熱輻射環(huán)境的試驗平臺。該設(shè)備的真空容器為內(nèi)徑Φ7 m、直段高10 m 的立式圓柱體,容器下部用8 根立柱安裝于地面,容器直段下部開4.4 m×4.4 m 方形大門以方便試驗件進出容器,容器直段上部開4 個Φ1.25 m 低溫泵接口開孔,容器上橢圓封頭設(shè)通光口徑為Φ1.5 m 的平行光管接口來進行垂直光學檢測,承載不小于10t。該真空容器是大型復雜的空間加筋組合殼體結(jié)構(gòu), 大開孔將造成局部強度和剛度削弱,還可能降低總體或局部屈曲強度,為保證設(shè)計安全可靠, 因此有必要對該真空容器進行較詳細的靜力和屈曲分析。
本文應(yīng)用國際上著名的大型有限元分析軟件ANSYS 軟件,對已初步設(shè)計的真空容器進行合理簡化,采用能體現(xiàn)曲線特征的八節(jié)點shell 單元shell93,通過點線面從下而上的方法建立3D 有限元分析模型進行模擬計算和分析。為了最大程度真實地實現(xiàn)對真空容器的模擬計算,有限元模型的布置形式、尺寸和板厚嚴格按照容器設(shè)計。
在設(shè)計工況下,詳細分析了外壓、自重以及外界載荷(如熱沉、低溫泵、試驗載荷等)三者作用下容器整體應(yīng)力與應(yīng)變分布情況,并對真空容器各危險部位如方門、低溫泵接口、底部支柱等處進行局部應(yīng)力和應(yīng)變分析,計算得到了容器整體和其上各危險部位的應(yīng)力分布和變形分布情況,同時驗證了通過貼加強板、加強筋的方法可以有效地減小容器的局部應(yīng)力,使其低于容器的許用應(yīng)力值,滿足容器的安全要求。
對真空容器做了特征值屈曲分析,求得容器失穩(wěn)變形的極限壓力值遠大于一個大氣壓的工壓力,保證了容器在使用過程中不會出現(xiàn)失穩(wěn)變形。本文的有限元分析計算得到了很多可供容器設(shè)計參考的重要結(jié)果,對保證安全設(shè)計及制造加工有實際的指導意義。