某真空容器室模态及地震响应谱分析

褚 宇，罗 阳，陈 建，易 亮，吴绍祥

(四川大学 制造科学与工程学院， 成都 610065)

【基础理论与应用研究】

某真空容器室模态及地震响应谱分析

褚 宇，罗 阳，陈 建，易 亮，吴绍祥

(四川大学 制造科学与工程学院， 成都 610065)

以某型号真空容器室为研究对象，利用SolidWorks软件建立和简化真空容器室三维模型并导入有限元分析软件ANSYS Workbench对真空容器室的静态应力和10阶非零模态频率进行求解；利用SeismoSignal软件将El-Centro地震数据通过傅里叶变换为频域地震波谱，导入Response Spectrum模块进行模拟地震作用下的响应谱分析，得到等效应力和方向位移云图。分析结果表明该型号真空容器室满足抗震性设计要求。

真空容器室；ANSYS Workbench；有限元分析；模态；地震响应谱

spectrum

真空容器室是环境模拟系统的重要组成部件之一，主要用于放置各类试验设备、搭载各类试验平台并且承受外压力。真空容器的抗震性直接影响着整个环境模拟系统的稳定性，真空容器室结构设计完成后需要进行地震谱校验分析，确定真空容器室的结构是否满足抗震性设计要求[1-3]。

地震波是一种不规律震荡波，主要分为水平地震波和垂直地震波。将地震波分解在笛卡尔坐标系X,Y,Z轴上可以看出加速度大小方向，惯性力大小方向，位移量大小方向随时间的推移非周期性变化。传统的计算方法可以粗略计算模型的低阶固有频率，无法结合地震谱进行谱响应的分析[4-5]。基于此利用Ansys Workbench软件将真空容器的模态分析结果与地震谱联系起来计算真空容器室的应力与结构位移量，分析过程如图1所示。

图1 分析过程示意图

1 真空容器室的有限元模型建立

大多数真空容器室主要由筒体、封头、门、冷却水套、法兰、管道等组成[1]。真空容器室工作环境通常处于1个标准大气压下，主要受力部分为筒体四周，封头和门。此外，由于容器支撑鞍座的位置排布的影响，整个筒体也承受弯矩作用。分析过程中筒体与封头，筒体与门之间，筒体与加强筋之间采用绑定接触(Bonded)，模拟螺栓连接与焊接连接，对结果影响较小。整个真空容器室总长14 400 mm,直径5 496 mm，壁厚22 mm,加强圈之间间距1 810 mm。主容器顶部两个DN1250低温泵法兰，侧面有DN1250法兰、DN1800的法兰、太阳模拟器光光筒。真空容器筒体封头采用304不锈钢，加强圈采用Q345钢。真空容器基本结构如图2所示，真空容器化简后三维模型如图3所示。

1.门; 2.真空容器筒体; 3.加强圈; 4.封头

图3 化简后的真空容器室三维模型

2 真空容器室静应力分析

根据真空容器实际工作状态，对计算机模型施加约束条件，定义边界条件。将原鞍座支撑位表面映射到筒体表面并添加固定约束。载荷布置为主容器顶部两个DN1250低温泵法兰均附加竖直向下的16.8 t重量(包括大气压力，低温泵、控制阀门及其管道的重力约4.5 t)；侧面DN1250法兰端面施加1.23×105N的大气压力；DN1800的法兰端面施加2.54×105N的大气压力；太阳模拟器光光筒施加47 600 N的大气压力；筒体自身受到重力的作用，以Z轴反方向施加到筒体上；此外，整个真空容器室外加均匀分布1个标准大气压力。调用Static Structure模块，应力分析结果如图4，图5所示。

图4 真空容器室总变形云图

图5 真空容器室等效应力云图

由云图可知，在实际工作环境中，真空容器室的最大应力为165.13 MPa，主要作用在加强圈与太阳模拟器光光筒表面的交界处，其值小于材料的屈服极限，满足强度要求，最大位移为2.554 8 mm，两个DN1250低温泵法兰处变形量最大，最容易发生破坏。

3 真空容器室模态分析

模态分析是最基本的动力学分析，是响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析等的基础[6]。采用施加约束的模态分析，在前述分析的基础上添加Modal模块，模拟真实工作环境中真空容器室的固有频率。提取前10阶非零模态频率如图6所示。

图6 真空容器室前10阶模态频率

通过阶数-频率图分析知，前10阶的频率范围集中在20.889～62.44 Hz范围内。其中，2阶与3阶，4阶与5阶，7阶与8阶频率基本相同。利用ANSYS Workbench对1、2、4、7、9、10阶模态的总变形量进行分析，从上至下分别1、2、4、7、9、10阶模态如图7所示。

通过变形量云图，我们可知在7阶频率为55.509 Hz时，真空容器室变形最剧烈，变形值最大，为1.388 7 mm，容易发生破坏，此时破坏主要集中在X轴方向。

4 谱处理

地震谱通常由地震仪记录，按时间间隔Δt采样，采样值为xm，加速的时间函数为[7]：

xm=f(m·Δt)

(1)

式中m为采样点的数量。

图7 真空容器室模态下总变形量比较

时域分析较为形象直观。利用上述计算公式，可在时域上对地震波作用下的真空容器室进行谱响应分析，但计算过程过于复杂。

频域分析则较为简练，剖析问题深刻。随着计算机模拟技术的发展，使用傅里叶变换方法将时域信号转换为频域信号，将大大提高数据处理的速率。SeismoSignal软件是目前地震波处理中常用的将时域转换为频域的软件。

响应谱分为单点响应谱和多点响应谱。单点响应谱是指在模型的一个点集上定义一条响应谱；多点响应谱是指在模型的多个点集上定义多条响应谱[8-9]。本文采用单点响应谱分析，地震位移谱的作用方向为X轴方向。

目前，EI-Centro波、Taft波和迁安地震波是结构抗震性分析中常用的地震波[10]。采用EI-Centro波，将南北方向地震波载入SeismoSignal软件后，获得振幅与频率的关系如图8所示。由图置基线校准为线性Linear；设置带通滤波频率区间为[-0.1 Hz，-15 Hz]。

5 真空容器室地震响应谱分析

通过SeismoSignal软件拟合(阻尼值为0.05)，求出EI-Centro波的位移频谱如图9所示。

图8 振幅与频率

图9 EI-Centro波的位移频谱

地震响应谱分析是一种频域分析，从频域的角度计算目标结构的峰值响应，确定目标结构的抗震性。其输入为振动载荷的频谱，如地震加速度频谱、速度频谱、位移频谱等。

经过前述步骤，真空容器室的静态应力分析、模态分析、地震谱处理已经完成。

利用响应谱分析法对真空容器室进行抗震性分析，采用ANSYS Workbench中Response Spectrum模块将目标模态分析结果与已知的频谱联系起来，计算目标结构位移量、速度、加速度、力、应力等。

将地震位移频谱数据带入模块计算，得真空容器室在地震频谱作用情况下的等效应力与等效应变如图10所示。X、Y、Z轴方向位移如图11所示。从上至下分别为X方向位移、Y方向位移、Z方向位移。

图10 真空容器室地震谱响应等效应力与等效应变云图

通过云图，可知在EI-Centro地震谱激励的作用下，真空容器室最大屈服强度为119.74 MPa,主要集中在加强圈处，远低于材料Q345钢的屈服极限。由三个方向上的位移云图可知，最大变形量处于X轴方向为1.218 1 mm，通过查询相关资料，表明该变形量处于合理范围内，该真空容器满足抗震性设计要求[11]。

图11 真空容器室地震谱响应在XYZ方向上的位移云图

6 结论

从构建真空容器室模型到加载后进行地震谱响应分析计算，结果表明：真空容器室满足静应力强度的要求；对地震频谱的响应较好，结构内应力分布均匀，位移量较小，结构许用压应力满足设计要求。该真空容器室在不考虑其他外加载荷的情况下，可以抵抗7级地震。本文研究的真空容器室满足抗震、减震要求。

此分析方法能为真空容器室的优化设计提供理论支持和参考。

[1] 达道安.真空设计手册[M].北京:国防工业出版社,1991.

[2] 吕世增,韩潇,祁妍.大型空间环境模拟设备真空容器室可靠性优化设计[J].真空科学与技术学报报,2016,36(1):38-43.

[3] ASME-BPVC.锅炉及压力容器规范[S].上海:上海科学技术文献出版社,2004.

[4] 刘立杰,王爽.大型垂直光学检测与空间环境模拟试验设备真空容器结构的有限元分析[C]//中国真空学会2012学术年会论文集.兰州：[出版地不详]，2012.

[5] 大崎顺彦.地震动的谱分析入门[M].北京:地震出版社,1980.

[6] 黄志新,刘成柱.ANSYS Workbench14.0超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2013.

[7] 陈昌金,何桂林,尹健.一种乏池检测装置的地震响应分析及其优化[J].兵工自动化,2014,33(10):80-82.

[8] 高耀东,寄福存,李震,等.ANSYS Workbench机械工程应用精华30例[M].北京:电子工业出版社,2013.

[9] 余伟炜,高炳军,陈洪军,等.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[10] 徐福英,许可芳.基于ANSYS的铁塔结构正东分析[J].科技资讯,2013(7):98-99.

[11] JB/T.4731—2005,钢制卧式容器[S].

(责任编辑杨继森)

ModalAnalysisandSeismicResponseSpectrumAnalysisofVacuumChamber

CHU Yu, LUO Yang, CHEN Jian, YI Liang, WU Shaoxiang

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

At the beginning of designing, the anti-seismic problems should be considered, especially in the Vacuum Chamber. We used the SolidWorks software to establish the three-dimensional model of Vacuum Chamber, and the model was simulated and analyzed by finite element analysis software ANSYS Workbench. The top 10 order non-zero modal frequency were obtained after the analysis. We used SeismoSignal software to changed the Seismic Spectrum from the time domain to the frequency domain by Fourier transform. Finally, simulation analysis of displacement response spectrum of simulated earthquake action was carried out, and the equivalent stress and the direction of displacement were obtained. The result shows that the Vacuum chamber achieves the design requirements of earthquake intensity.

vacuum chamber; ANSYS Workbench; finite element analysis; modal; seismic response

2017-04-12；

：2017-05-02

：四川省科技厅项目“大型智能环境模拟设备制造技术及应用”(2016GZ0159)； 工信部智能制造综合标准化与新模式应用项目“高真空分子泵智能制造车间”(2016062)

褚宇(1993—)，男，硕士，主要从事环境模拟设备设计与制造研究。

罗阳(1969—)，男，工学博士，教授，主要从事环境模拟设备设计与制造研究。

10.11809/scbgxb2017.09.039

format:CHU Yu, LUO Yang, CHEN Jian, et al.Modal Analysis and Seismic Response Spectrum Analysis of Vacuum Chamber[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):184-187.

TJ86;P315.8;TP391.9

：A

2096-2304(2017)09-0184-04

本文引用格式：褚宇，罗阳，陈建，等.某真空容器室模态及地震响应谱分析[J].兵器装备工程学报，2017(9):184-187.