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

劉立杰 王 爽

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)

　　摘要：大型垂直光學(xué)檢測(cè)與空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備是我國(guó)第一臺(tái)為大口徑光學(xué)鏡頭研制提供真空環(huán)境的垂直檢測(cè)平臺(tái)，以及為中國(guó)自主研發(fā)下一代大口徑、長(zhǎng)焦距、高分辨航天相機(jī)提供模擬空間軌道高真空、冷黑和熱輻射環(huán)境的試驗(yàn)平臺(tái)。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(kāi)4.4 m×4.4 m 方形大門(mén)以方便試驗(yàn)件進(jìn)出容器，容器直段上部開(kāi)4 個(gè)Φ1.25 m 低溫泵接口開(kāi)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(lái)進(jìn)行垂直光學(xué)檢測(cè)，承載不小于10t。該真空容器是大型復(fù)雜的空間加筋組合殼體結(jié)構(gòu), 大開(kāi)孔將造成局部強(qiáng)度和剛度削弱,還可能降低總體或局部屈曲強(qiáng)度,為保證設(shè)計(jì)安全可靠, 因此有必要對(duì)該真空容器進(jìn)行較詳細(xì)的靜力和屈曲分析。

　　本文應(yīng)用國(guó)際上著名的大型有限元分析軟件ANSYS 軟件，對(duì)已初步設(shè)計(jì)的真空容器進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，采用能體現(xiàn)曲線特征的八節(jié)點(diǎn)shell 單元shell93，通過(guò)點(diǎn)線面從下而上的方法建立3D 有限元分析模型進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。為了最大程度真實(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)真空容器的模擬計(jì)算，有限元模型的布置形式、尺寸和板厚嚴(yán)格按照容器設(shè)計(jì)。

　　在設(shè)計(jì)工況下，詳細(xì)分析了外壓、自重以及外界載荷(如熱沉、低溫泵、試驗(yàn)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(duì)真空容器各危險(xiǎn)部位如方門(mén)、低溫泵接口、底部支柱等處進(jìn)行局部應(yīng)力和應(yīng)變分析，計(jì)算得到了容器整體和其上各危險(xiǎn)部位的應(yīng)力分布和變形分布情況，同時(shí)驗(yàn)證了通過(guò)貼加強(qiáng)板、加強(qiáng)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(duì)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(yuǎn)大于一個(gè)大氣壓的工壓力，保證了容器在使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)變形。本文的有限元分析計(jì)算得到了很多可供容器設(shè)計(jì)參考的重要結(jié)果,對(duì)保證安全設(shè)計(jì)及制造加工有實(shí)際的指導(dǎo)意義。