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高低溫試驗箱箱體內框架主體的結構設計

作者: 網絡 編輯: 瑞凱儀器 來源: 網絡 發布日期: 2020.06.09
    本文設計的高低溫試驗箱箱體的內部工作環境為非真空狀態,工作溫度范圍廣,內部空間尺寸跨度較大,對內框架的設計提出了挑戰。如果由內框架主體來承受試驗所產生的吊掛荷載,內框架的空間大跨度勢必引起內框架設計重量的增加,從而與其輕量化的設計目標矛盾。因此,本文對內框架提出了一種新的設計形式:內、外框架弱連接形式,內框架只承受地面機械載荷與四周壁面、頂面保溫結構的重力載荷,試驗系統產生的吊掛載荷則由空中轉接平臺承受,轉接平臺通過吊桿固定在試驗箱體的外框架上。這種內外框架弱連接的分離式設計可有效解決減輕內框架質量與機械承載性能的矛盾。

    如圖3-1所示,試驗箱箱體內框架主體采用不銹鋼材質,保證在高、低溫交變環境下保持機械性能基本不衰減。內框架的主體承重結構由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架結構。高低溫試驗箱箱體的密封面板嵌入立方網架結構的網格中,面板邊緣與立方網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,可為整體內框架提供一定的剛性,并具有耐受高低溫環境的功能。試驗箱體內框架的地面部分則采用平板,保證地面平順性。該種結構形式既能使試驗箱體內框架具有良好的剛性,又能保證內框架的輕質,降低試驗空間內的附加熱容。

高低溫試驗箱箱體內框架主題示意圖

    1、內框架主體面板的結構選擇

    在試驗系統的運行過程中,箱體內外的換熱熱流方向為薄壁面板的法向方向,且不銹鋼導熱系數較大,因此內框架主體可視為等溫體。薄壁面板的結構設計可有常用兩種可選結構形式:直角波紋,三角波紋,其截面形式如圖3-2所示。

薄壁面板的結構形式

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

    當內框架的面板分別采用直角波紋、三角波紋的結構形式時,其主要結構參數見表3-1所示:

內框架面板的主要結構參數

內框架主體機械響應

    如圖3-3所示,當試驗箱體承受170℃高溫環境與機械荷載的復合作用下,會發生相應形變,并產生應力。內框架的形變發生在箱體內框架的側面,約為28mm,由箱體內部的正壓使內框架側面向外彎曲引起。內框架頂部則為向箱體內彎曲的型態,形變約為12mm, 由溫度載荷與機械載荷共同引起。內框架主體的von-mises應力約為120MPa,符合不銹鋼材料的許用應力范圍。以下分析面板結構形式對箱體內框架主體的影響。在相同的面板厚度、結構參數以及荷載情況下,采取上述兩種面板結構形式的內框架的機械響應計算結果見表3-2所示:

三種結構形式的內框架模擬計算結構

    由表中的計算結果可知:當薄壁面板采用直角波紋結構形式時,內框架主體的剛性與強度得到改善。直角波紋的形變為27.8mm,發生位置位于箱體內框架的側面。采用三角波紋面板的內框架的頂面形變則略小于采用直角波紋的情況,這是因為箱體內框架的變形由溫度載荷與機械載荷綜合作用產生。當溫度為170℃高溫工況時,整個內框架受熱膨脹,兩種結構形式的內框架頂面均產生由溫度變化引起的方向向.上的形變,而三角波紋結構的內框架其壁面與頂面剛度較弱,由機械載荷產生更大的撓度,導致頂面產生更大的方向向下的補償變形,兩者綜合作用下,導致三角波紋結構的頂面變形更小。兩種面板結構的內框架von-mises應力相近,均符合材料許用強度要求。

    2、面板波紋結構的優化選擇

    由于采用三角波紋與直角波紋面板結構的內框架計算結果相近,我們有必要研究在整個試驗系統工作溫度范圍中內框架結構的機械響應情況。

箱體內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、直角波紋對應的狀態;

    max, up, side則分別代表整體形變,頂部形變,側面形變。當箱體工作環境溫度從20℃下降至-120℃過程中,內框架的形變逐漸增加直到峰值。采用三角波紋結構與直角波紋結構的內框架形變峰值分別為46mm與40mm,形變處均位于試驗箱體內框架頂面。在箱體工作在溫度下限-120℃時,內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,使內框架頂面的形變達到全工況值。在同樣的降溫過程中,內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構的內框架形變略小于三角波紋的情況。當箱體工作溫度范圍為20℃~70℃時,內框架的形變在這一一溫度區間內變化不大,維持在20mm -25mm區間內;形變的發生位置從內框架項面向側面轉移,頂面的形變不斷減小。當箱體工作溫度從70°C繼續增加至170℃時,內框架頂面的形變繼續減小直至在120C達到值3mm以內,之后隨著溫度上升繼續增大。在70℃~170℃溫度變化區間內,內框架的形變隨溫度增加不斷增大,增大幅度小于降溫工況。該升溫階段內框架的形變發生在壁面,其峰值為27mm。
    綜上所述,在試驗箱體工作溫度- 120℃~ 170℃范圍內,采用直角波紋結構波紋板的內框架形變要采用三角波紋結構的情況,其形變的峰值為40mm,其結構具有更好的剛性。故本文的高低溫試驗箱箱體內框架面板采用直角波紋結構。
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