高低溫試驗箱箱體內(nèi)框架主體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

作者：網(wǎng)絡(luò) 編輯：瑞凱儀器來源：網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布日期： 2020.06.09

本文設(shè)計的高低溫試驗箱箱體的內(nèi)部工作環(huán)境為非真空狀態(tài)，工作溫度范圍廣，內(nèi)部空間尺寸跨度較大，對內(nèi)框架的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。如果由內(nèi)框架主體來承受試驗所產(chǎn)生的吊掛荷載，內(nèi)框架的空間大跨度勢必引起內(nèi)框架設(shè)計重量的增加，從而與其輕量化的設(shè)計目標(biāo)矛盾。因此，本文對內(nèi)框架提出了一種新的設(shè)計形式:內(nèi)、外框架弱連接形式，內(nèi)框架只承受地面機(jī)械載荷與四周壁面、頂面保溫結(jié)構(gòu)的重力載荷，試驗系統(tǒng)產(chǎn)生的吊掛載荷則由空中轉(zhuǎn)接平臺承受，轉(zhuǎn)接平臺通過吊桿固定在試驗箱體的外框架上。這種內(nèi)外框架弱連接的分離式設(shè)計可有效解決減輕內(nèi)框架質(zhì)量與機(jī)械承載性能的矛盾。

如圖3-1所示，試驗箱箱體內(nèi)框架主體采用不銹鋼材質(zhì)，保證在高、低溫交變環(huán)境下保持機(jī)械性能基本不衰減。內(nèi)框架的主體承重結(jié)構(gòu)由100mmx100mm的方型鋼組成，包括豎梁與橫梁，相互垂直交叉焊接固定形成立方網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。高低溫試驗箱箱體的密封面板嵌入立方網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格中，面板邊緣與立方網(wǎng)架通過焊接形式連接，形成密封面;密封面板采用波紋板形式，可為整體內(nèi)框架提供一定的剛性,并具有耐受高低溫環(huán)境的功能。試驗箱體內(nèi)框架的地面部分則采用平板，保證地面平順性。該種結(jié)構(gòu)形式既能使試驗箱體內(nèi)框架具有良好的剛性，又能保證內(nèi)框架的輕質(zhì)，降低試驗空間內(nèi)的附加熱容。

高低溫試驗箱箱體內(nèi)框架主題示意圖

1、內(nèi)框架主體面板的結(jié)構(gòu)選擇

在試驗系統(tǒng)的運行過程中，箱體內(nèi)外的換熱熱流方向為薄壁面板的法向方向，且不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)較大，因此內(nèi)框架主體可視為等溫體。薄壁面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計可有常用兩種可選結(jié)構(gòu)形式:直角波紋，三角波紋，其截面形式如圖3-2所示。

薄壁面板的結(jié)構(gòu)形式

    兩種結(jié)構(gòu)的選擇對高低溫試驗箱箱體的絕熱性能影響可以忽略，但是對箱體內(nèi)框架的機(jī)械性能有影響。在試驗箱體正常運行過程中，內(nèi)框架主體的工作環(huán)境包括:高、低溫環(huán)境負(fù)荷，內(nèi)外壓差負(fù)荷，保溫層的重力負(fù)荷等。內(nèi)框架主體的主要負(fù)荷為:
    溫度負(fù)荷: - 120℃~ 170℃;
    壓差負(fù)荷: Pmax = 300Pa;
    保溫層重力負(fù)荷: P頂=800Pa; P四周=200Pa

當(dāng)內(nèi)框架的面板分別采用直角波紋、三角波紋的結(jié)構(gòu)形式時，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3-1所示:

內(nèi)框架面板的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

內(nèi)框架主體機(jī)械響應(yīng)

如圖3-3所示，當(dāng)試驗箱體承受170℃高溫環(huán)境與機(jī)械荷載的復(fù)合作用下，會發(fā)生相應(yīng)形變，并產(chǎn)生應(yīng)力。內(nèi)框架的形變發(fā)生在箱體內(nèi)框架的側(cè)面，約為28mm，由箱體內(nèi)部的正壓使內(nèi)框架側(cè)面向外彎曲引起。內(nèi)框架頂部則為向箱體內(nèi)彎曲的型態(tài)，形變約為12mm，由溫度載荷與機(jī)械載荷共同引起。內(nèi)框架主體的von-mises應(yīng)力約為120MPa,符合不銹鋼材料的許用應(yīng)力范圍。以下分析面板結(jié)構(gòu)形式對箱體內(nèi)框架主體的影響。在相同的面板厚度、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及荷載情況下，采取上述兩種面板結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)框架的機(jī)械響應(yīng)計算結(jié)果見表3-2所示:

三種結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)框架模擬計算結(jié)構(gòu)

由表中的計算結(jié)果可知:當(dāng)薄壁面板采用直角波紋結(jié)構(gòu)形式時，內(nèi)框架主體的剛性與強(qiáng)度得到改善。直角波紋的形變?yōu)?7.8mm,發(fā)生位置位于箱體內(nèi)框架的側(cè)面。采用三角波紋面板的內(nèi)框架的頂面形變則略小于采用直角波紋的情況，這是因為箱體內(nèi)框架的變形由溫度載荷與機(jī)械載荷綜合作用產(chǎn)生。當(dāng)溫度為170℃高溫工況時，整個內(nèi)框架受熱膨脹，兩種結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)框架頂面均產(chǎn)生由溫度變化引起的方向向.上的形變，而三角波紋結(jié)構(gòu)的內(nèi)框架其壁面與頂面剛度較弱，由機(jī)械載荷產(chǎn)生更大的撓度，導(dǎo)致頂面產(chǎn)生更大的方向向下的補(bǔ)償變形，兩者綜合作用下，導(dǎo)致三角波紋結(jié)構(gòu)的頂面變形更小。兩種面板結(jié)構(gòu)的內(nèi)框架von-mises應(yīng)力相近，均符合材料許用強(qiáng)度要求。

2、面板波紋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇

由于采用三角波紋與直角波紋面板結(jié)構(gòu)的內(nèi)框架計算結(jié)果相近，我們有必要研究在整個試驗系統(tǒng)工作溫度范圍中內(nèi)框架結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)情況。

箱體內(nèi)框架隨紅做溫度的形變圖

如圖3-4所示，空心、實心的點分別代表三角形波紋、直角波紋對應(yīng)的狀態(tài);

max, up, side則分別代表整體形變，頂部形變，側(cè)面形變。當(dāng)箱體工作環(huán)境溫度從20℃下降至-120℃過程中，內(nèi)框架的形變逐漸增加直到峰值。采用三角波紋結(jié)構(gòu)與直角波紋結(jié)構(gòu)的內(nèi)框架形變峰值分別為46mm與40mm,形變處均位于試驗箱體內(nèi)框架頂面。在箱體工作在溫度下限-120℃時，內(nèi)框架受冷收縮使頂面位置下沉，與試驗箱體所受的重力載荷共同作用，使內(nèi)框架頂面的形變達(dá)到全工況值。在同樣的降溫過程中，內(nèi)框架壁面形變增加幅度較小，形變峰值在20mm左右，其中采用直角波紋結(jié)構(gòu)的內(nèi)框架形變略小于三角波紋的情況。當(dāng)箱體工作溫度范圍為20℃~70℃時，內(nèi)框架的形變在這一一溫度區(qū)間內(nèi)變化不大，維持在20mm -25mm區(qū)間內(nèi);形變的發(fā)生位置從內(nèi)框架項面向側(cè)面轉(zhuǎn)移，頂面的形變不斷減小。當(dāng)箱體工作溫度從70°C繼續(xù)增加至170℃時，內(nèi)框架頂面的形變繼續(xù)減小直至在120C達(dá)到值3mm以內(nèi)，之后隨著溫度上升繼續(xù)增大。在70℃~170℃溫度變化區(qū)間內(nèi)，內(nèi)框架的形變隨溫度增加不斷增大，增大幅度小于降溫工況。該升溫階段內(nèi)框架的形變發(fā)生在壁面，其峰值為27mm。
綜上所述，在試驗箱體工作溫度- 120℃~ 170℃范圍內(nèi)，采用直角波紋結(jié)構(gòu)波紋板的內(nèi)框架形變要采用三角波紋結(jié)構(gòu)的情況,其形變的峰值為40mm,其結(jié)構(gòu)具有更好的剛性。故本文的高低溫試驗箱箱體內(nèi)框架面板采用直角波紋結(jié)構(gòu)。

【相關(guān)推薦】