大型垂直光學檢測與空間環境模擬試驗設備真空容器結構的有限元分析

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境模擬試驗設備是我國第一臺為大口徑光學鏡頭研制提供真空環境的垂直檢測平臺，以及為中國自主研發下一代大口徑、長焦距、高分辨航天相機提供模擬空間軌道高真空、冷黑和熱輻射環境的試驗平臺。該設備的真空容器為內徑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構, 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。

　　本文應用國際上著名的大型有限元分析軟件ANSYS 軟件，對已初步設計的真空容器進行合理簡化，采用能體現曲線特征的八節點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計。

　　在設計工況下，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力與應變分布情況，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力和應變分析，計算得到了容器整體和其上各危險部位的應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力，使其低于容器的許用應力值，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失穩變形。本文的有限元分析計算得到了很多可供容器設計參考的重要結果,對保證安全設計及制造加工有實際的指導意義。