基于有限元的单轴双销铰链式大门机构变形分析

　　本文对单轴双销铰链式大门机构进行了有限元静态线性结构分析, 得出该大门机构的应力场和位移场分布, 讨论了弧形加强覆板、前立柱和远端弹性支撑装置等对大门机构强度破坏和位移变形的影响, 并将分析讨论的初步结果应用于单轴双销铰链式大门机构处于极端工况下的可靠性分析, 分析结果证明该大门机构是可靠的。

　　铰链式大门机构以其结构简单的优点大量应用于大型容器中, 但在大型卧式真空容器的铰链式大门机构中, 由于受力结构不对称, 在生产装配和长期运行过程中大门机构会由于自重过大产生较大的下沉变形, 致使大门关闭后密封性能严重下降, 强行关门时有可能对密封圈产生剪切和局部不对称的挤压破坏。

　　为补偿变形后大门法兰与舱体法兰不能贴合的问题, 本文在双转轴铰链式大门机构的原理上针对大型卧式容器的大门机构设计提出了一种新型单轴双销铰链式大门机构, 并首次应用于北航在建的真空羽流试验舱直径5.5 m 的大门上。单轴双销铰链式大门机构包括实现大门开闭的全转轴和双销钉组成的限转轴, 全转轴实现大门机构的开闭, 全转轴协同限转轴用于补偿两法兰端面不贴合的位移。

　　单轴双销铰链式大门机构的铰链机构通过弧形加强覆板与大门法兰和舱体法兰相连, 覆板用于分散大门法兰和舱体法兰上的局部应力集中, 整个大门的重力通过铰链机构的传递最终作用到舱体法兰上。为加强铰链机构, 在单轴与销轴之间、上下铰链后梁之间分别设置了立梁, 使铰链机构成为一个钢架以提高整体刚度。为防止大门重力导致的过大变形, 在大门远端与大门中轴面成60􀀂的大门法兰底部, 设计了滚轮型弹性支撑装置, 分担大门重力对铰链机构下沉变形的影响, 同时弹性支撑装置上安装有步进电机, 实现大门开闭的自动控制。

　　为评估弧形加强覆板、前立柱和远端弹性支撑装置的作用, 作者利用有限元分析方法( FEM) 对轴双销铰链式大门机构进行了静态线性结构分析, 评定铰链机构的强度和位移变形对该机构的影响, 验证单轴双销铰链式大门机构的可靠性。

4、结论

　　本文对单轴双销铰链式大门机构进行了有限元分析, 讨论了该大门机构中弧形加强覆板、前立柱、远端弹性支撑装置等技术措施对该机构的强度和位移变形的影响, 分析得出结论如下:

　　(1) 单轴双销铰链式大门机构的整体vonMises应力分布平均值较小, 在法兰与铰链连接处及其延伸区域出现局部应力集中, 但应力集中最大值仍在材料的屈服强度内。当封头内施加集中载荷时, 法兰与铰链连接处的应力峰值会接近屈服极限, 且应力集中的范围会向大门封头内相应区域延伸, 上下铰链处两个分开的应力集中区域有连成一片的趋势。当封头内不施加集中载荷时, 整个大门机构的安全系数大于1.27, 当施加集中载荷时安全系数会进一步降低, 增大前立柱的截面尺寸和增加远端弹性支撑能明显降低铰链与法兰连接处的应力, 整个大门机构的最小安全系数提高到1.43。

　　(2) 弧形加强覆板一方面能分担铰链与法兰连接处的应力集中, 一方面加强法兰局部的刚度。无论有无弧板, 在铰链与法兰连接处的应力集中都存在, 弧板的长度只要盖住铰链连接处∃ 20的范围应力集中值会明显下降。在有弧板区域, 法兰的翘曲变形( X 方向) 得到抑制, 但翘曲变形不会消失, 而是转移到法兰上刚度较弱的区域。

　　(3) 单轴双销铰链式大门结构的失效形式不是强度不够, 局部应力过大可以通过增加弧板和增大前立柱的截面尺寸降低其应力值, 该大门结构的主要失效形式是变形位移过大, 增加远端弹性支撑是最有效的降低变形位移的方式, 可以使大门的下沉变形降到可接受的范围。

　　(4) 由于大门重心与铰链钢架不共面, 前立柱受力较为复杂, 增大前立柱截面尺寸可以提高铰链钢架的刚度, 使得上铰链连接件顺时针翻转、下铰链连接件逆时针翻转的角度变小, 在一定程度上抑制大门翘曲变形。

　　(5) 大门合位移主要是由大门重力导致的Y 方向位移构成, X , Z 方向的变形由于相对值较小而对合位移贡献较小, X 方向位移主要是由大门重心与铰链钢架不共面造成的, 不施加远端弹性支撑时, X方向分位移峰值发生位置与法兰的刚度有关, 呈现不规则分布, 当施加远端弹性支撑时, X 方向位移沿法兰水平中性面规则分布, 该翘曲位移对法兰平面度保持极为不利。

　　(6) 增大前立柱截面尺寸, 远端弹性支撑的弹簧刚度取3 % 106N/ m 时, 即使大门封头内施加20 kN 的集中载荷, 单轴双销铰链式大门机构的合位移也能保证在12 mm 以下, 此时大门整体的最大vonMises 应力值远低于材料的屈服强度, 大门能够可靠工作。