大型垂直光学检测与空间环境模拟试验设备真空容器结构的有限元分析

大型垂直光学检测与空间环境模拟试验设备真空容器结构的有限元分析

刘立杰 王 爽

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

　　摘要：大型垂直光学检测与空间环境模拟试验设备是我国第一台为大口径光学镜头研制提供真空环境的垂直检测平台，以及为中国自主研发下一代大口径、长焦距、高分辨航天相机提供模拟空间轨道高真空、冷黑和热辐射环境的试验平台。该设备的真空容器为内径Φ7 m、直段高10 m 的立式圆柱体，容器下部用8 根立柱安装于地面，容器直段下部开4.4 m×4.4 m 方形大门以方便试验件进出容器，容器直段上部开4 个Φ1.25 m 低温泵接口开孔，容器上椭圆封头设通光口径为Φ1.5 m 的平行光管接口来进行垂直光学检测，承载不小于10t。该真空容器是大型复杂的空间加筋组合壳体结构, 大开孔将造成局部强度和刚度削弱,还可能降低总体或局部屈曲强度,为保证设计安全可靠, 因此有必要对该真空容器进行较详细的静力和屈曲分析。

　　本文应用国际上著名的大型有限元分析软件ANSYS 软件，对已初步设计的真空容器进行合理简化，采用能体现曲线特征的八节点shell 单元shell93，通过点线面从下而上的方法建立3D 有限元分析模型进行模拟计算和分析。为了最大程度真实地实现对真空容器的模拟计算，有限元模型的布置形式、尺寸和板厚严格按照容器设计。

　　在设计工况下，详细分析了外压、自重以及外界载荷(如热沉、低温泵、试验载荷等)三者作用下容器整体应力与应变分布情况，并对真空容器各危险部位如方门、低温泵接口、底部支柱等处进行局部应力和应变分析，计算得到了容器整体和其上各危险部位的应力分布和变形分布情况，同时验证了通过贴加强板、加强筋的方法可以有效地减小容器的局部应力，使其低于容器的许用应力值，满足容器的安全要求。

　　对真空容器做了特征值屈曲分析，求得容器失稳变形的极限压力值远大于一个大气压的工压力，保证了容器在使用过程中不会出现失稳变形。本文的有限元分析计算得到了很多可供容器设计参考的重要结果,对保证安全设计及制造加工有实际的指导意义。