整星热试验容器强度及稳定性分析设计

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1、航天器环境工程第29卷第6期674SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2012年12月整星热试验容器强度及稳定性分析设计韩潇，祁妍，刘波涛(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：空间环境模拟器真空容器结构设计必须考虑外压载荷和设备载荷，进行详细的结构力学分析计算，使其结构安全可靠。文章采用有限元方法计算分析了容器的强度和稳定性，获得了复杂结构载荷下的应力和临界屈曲压力，在此基础上对容器进行了强度和稳定性评价，所得结果可为容器结构设计提供可靠的依据。关键词：航天器；真空热试验；真空容器；稳定性分析中图分类号

2、：0242．21文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)06—0674—03DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2012．06．0160引言真空容器为空间环境模拟器的重要分系统，在做热试验时，其内部为高真空状态，外部要承受1个大气压，因此在设计时需要进行容器结构强度和稳定性分析计算。为了满足航天器真空热试验的需要，容器中需要提供高真空、冷热交变等模拟环境，同时在试验中又需要检测模拟环境参数以及航天器的相关参数，为此在容器上开有许多功能孔，而这些开孔势必会对容器的强度和稳定性造成一定的影响。如果容器补强措施不

3、好，则可能会因为稳定性的问题而影响容器的真空性能。因此，真空容器的稳定性分析与设计至关重要。本文介绍了真空容器结构强度和稳定性的设计理论与方法，并采用有限元方法对大型空间环境模拟器真空容器的强度和稳定性进行了计算分析。1容器稳定性计算方法真空容器的失稳包括局部失稳(如开孔)和整体失稳，这2种失稳都会导致严重的后果。针对真空容器的稳定性分析，有临界压力失稳计算方法和有限元分析方法。1．1临界压力失稳计算方法基于薄壳筒体稳定性理论，工程设计中常用B．M．Pamm近似计算方法即计算真空容器失稳临界压力，其计算公式为【1]D一2．6E《(1)“三哦√

4、等式中：尸cr为筒体临界压力，MPa；万。为简体有效厚度，InlTl；Do为筒体外直径，nqnl；L为筒体计算长度，1TUTI；E为筒体材料弹性模量，MPa。考虑到真空容器材料不均匀、制造误差以及安全系数等因素，经推导得到基于稳定性算法的圆筒容器壁厚计算公式为瓯=或(盖j+c，Q，式中：万。为筒体壁厚，mm；P为筒体设计压力，MPa；C为附加厚度，mm。附加厚度由钢材厚度负偏差和腐蚀裕量组成，钢材厚度负偏差按照钢材标准选定，腐蚀裕量根据真空容器部件的腐蚀、机械磨损、预期寿命等情况来确定。1．2有限元分析方法工程设计中常用有限元法对容器进行强度

5、和稳定性分析，以确保真空容器设计可靠性。有限元法有各种类型的计算单元体模型，可以利用这些计算单元体进行组合以计算几何形状复杂的真空容器，包括加筋组合壳体结构、开有众多法兰接口的壳体结构等。因此，有限元法是复杂的真空容器强度和稳定性计算分析的有效手段。本文专门利用有限元法[2]对真空容器进行了收稿日期：2012—04．09：修回日期：2012．05．04作者简介：韩潇(1981一)，男，硕士学位，主要从事空间环境模拟技术研究。E—mail：hxcast@163．com。第6期韩潇等：整星热试验容器强度及稳定性分析设计675分析计算，同时按照应力

6、分类判据进行强度评价，力求使设计结果更加合理有效。2有限元法的计算分析与强度评价2．1应力分析与强度评价基于ANSYS平台建立直径为8000111nl的整星热试验真空容器有限元分析模型，容器由8个支座支撑，简体上有53个接口法兰分别与真空、测控等其他系统连接。有限元计算时，容器结构主体采用Shell63壳单元，大门法兰、导轨等部件采用Solid45三维实体单元，所有的焊接、螺纹连接均按固接处理，网格划分采用手动与程序自动划分相结合的方式。通过对所建立的模型施加载荷后进行求解得到其应力分布云图(图1)。除简体法兰方筋与筒体连接处局部尖角有应力集

7、中外，其他部位最大应力出现在DNl320接管法兰与简体焊接部位的内壁圆角处，如图2所示。I到1真空容器结构心力分布Fig．1StressdistributionintheVaCUUl'nvesse图2接管法二部位应力分mFig．2Stressdistributionintheflange根据真空容器结构特征，其内应力一般分为一次应力、二次应力和峰值应力【3】。一次应力是非自限应力，主要由外部压力和设备载荷引起，它由一次总体薄膜应力、一次弯曲应力及一次局部薄膜应力组成。二次应力是自限性应力，主要由外部条件约束及结构变形协调要求引起。峰值应力是自

8、限性应力并且具有局部性特征，主要由局部结构不连续引起，它可能导致结构疲劳或脆性断裂。由于整星热试验真空容器一般不作疲劳分析，因此将真空容器除峰值应力外的其他应力进行