大型垂直光學(xué)檢測與空間環(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

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)

　　摘要：大型垂直光學(xué)檢測與空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備是我國第一臺為大口徑光學(xué)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(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。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(yàn)件進(jìn)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(jìn)行垂直光學(xué)檢測，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)計安全可靠, 因此有必要對該真空容器進(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(jìn)行合理簡化，采用能體現(xiàn)曲線特征的八節(jié)點(diǎn)shell 單元shell93，通過點(diǎn)線面從下而上的方法建立3D 有限元分析模型進(jìn)行模擬計算和分析。為了最大程度真實(shí)地實(shí)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(yán)格按照容器設(shè)計。

　　在設(shè)計工況下，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，并對真空容器各危險部位如方門、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(yàn)證了通過貼加強(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(shí)際的指導(dǎo)意義。