基于有限元的單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)變形分析

　　本文對單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜態(tài)線性結(jié)構(gòu)分析, 得出該大門機(jī)構(gòu)的應(yīng)力場和位移場分布, 討論了弧形加強(qiáng)覆板、前立柱和遠(yuǎn)端彈性支撐裝置等對大門機(jī)構(gòu)強(qiáng)度破壞和位移變形的影響, 并將分析討論的初步結(jié)果應(yīng)用于單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)處于極端工況下的可靠性分析, 分析結(jié)果證明該大門機(jī)構(gòu)是可靠的。

　　鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點大量應(yīng)用于大型容器中, 但在大型臥式真空容器的鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)中, 由于受力結(jié)構(gòu)不對稱, 在生產(chǎn)裝配和長期運行過程中大門機(jī)構(gòu)會由于自重過大產(chǎn)生較大的下沉變形, 致使大門關(guān)閉后密封性能嚴(yán)重下降, 強(qiáng)行關(guān)門時有可能對密封圈產(chǎn)生剪切和局部不對稱的擠壓破壞。

　　為補償變形后大門法蘭與艙體法蘭不能貼合的問題, 本文在雙轉(zhuǎn)軸鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)的原理上針對大型臥式容器的大門機(jī)構(gòu)設(shè)計提出了一種新型單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu), 并首次應(yīng)用于北航在建的真空羽流試驗艙直徑5.5 m 的大門上。單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)包括實現(xiàn)大門開閉的全轉(zhuǎn)軸和雙銷釘組成的限轉(zhuǎn)軸, 全轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)大門機(jī)構(gòu)的開閉, 全轉(zhuǎn)軸協(xié)同限轉(zhuǎn)軸用于補償兩法蘭端面不貼合的位移。

　　單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)的鉸鏈機(jī)構(gòu)通過弧形加強(qiáng)覆板與大門法蘭和艙體法蘭相連, 覆板用于分散大門法蘭和艙體法蘭上的局部應(yīng)力集中, 整個大門的重力通過鉸鏈機(jī)構(gòu)的傳遞最終作用到艙體法蘭上。為加強(qiáng)鉸鏈機(jī)構(gòu), 在單軸與銷軸之間、上下鉸鏈后梁之間分別設(shè)置了立梁, 使鉸鏈機(jī)構(gòu)成為一個鋼架以提高整體剛度。為防止大門重力導(dǎo)致的過大變形, 在大門遠(yuǎn)端與大門中軸面成60􀀂的大門法蘭底部, 設(shè)計了滾輪型彈性支撐裝置, 分擔(dān)大門重力對鉸鏈機(jī)構(gòu)下沉變形的影響, 同時彈性支撐裝置上安裝有步進(jìn)電機(jī), 實現(xiàn)大門開閉的自動控制。

　　為評估弧形加強(qiáng)覆板、前立柱和遠(yuǎn)端彈性支撐裝置的作用, 作者利用有限元分析方法( FEM) 對軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)線性結(jié)構(gòu)分析, 評定鉸鏈機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和位移變形對該機(jī)構(gòu)的影響, 驗證單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)的可靠性。

4、結(jié)論

　　本文對單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析, 討論了該大門機(jī)構(gòu)中弧形加強(qiáng)覆板、前立柱、遠(yuǎn)端彈性支撐裝置等技術(shù)措施對該機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和位移變形的影響, 分析得出結(jié)論如下:

　　(1) 單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)的整體vonMises應(yīng)力分布平均值較小, 在法蘭與鉸鏈連接處及其延伸區(qū)域出現(xiàn)局部應(yīng)力集中, 但應(yīng)力集中最大值仍在材料的屈服強(qiáng)度內(nèi)。當(dāng)封頭內(nèi)施加集中載荷時, 法蘭與鉸鏈連接處的應(yīng)力峰值會接近屈服極限, 且應(yīng)力集中的范圍會向大門封頭內(nèi)相應(yīng)區(qū)域延伸, 上下鉸鏈處兩個分開的應(yīng)力集中區(qū)域有連成一片的趨勢。當(dāng)封頭內(nèi)不施加集中載荷時, 整個大門機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)大于1.27, 當(dāng)施加集中載荷時安全系數(shù)會進(jìn)一步降低, 增大前立柱的截面尺寸和增加遠(yuǎn)端彈性支撐能明顯降低鉸鏈與法蘭連接處的應(yīng)力, 整個大門機(jī)構(gòu)的最小安全系數(shù)提高到1.43。

　　(2) 弧形加強(qiáng)覆板一方面能分擔(dān)鉸鏈與法蘭連接處的應(yīng)力集中, 一方面加強(qiáng)法蘭局部的剛度。無論有無弧板, 在鉸鏈與法蘭連接處的應(yīng)力集中都存在, 弧板的長度只要蓋住鉸鏈連接處∃ 20的范圍應(yīng)力集中值會明顯下降。在有弧板區(qū)域, 法蘭的翹曲變形( X 方向) 得到抑制, 但翹曲變形不會消失, 而是轉(zhuǎn)移到法蘭上剛度較弱的區(qū)域。

　　(3) 單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T結(jié)構(gòu)的失效形式不是強(qiáng)度不夠, 局部應(yīng)力過大可以通過增加弧板和增大前立柱的截面尺寸降低其應(yīng)力值, 該大門結(jié)構(gòu)的主要失效形式是變形位移過大, 增加遠(yuǎn)端彈性支撐是最有效的降低變形位移的方式, 可以使大門的下沉變形降到可接受的范圍。

　　(4) 由于大門重心與鉸鏈鋼架不共面, 前立柱受力較為復(fù)雜, 增大前立柱截面尺寸可以提高鉸鏈鋼架的剛度, 使得上鉸鏈連接件順時針翻轉(zhuǎn)、下鉸鏈連接件逆時針翻轉(zhuǎn)的角度變小, 在一定程度上抑制大門翹曲變形。

　　(5) 大門合位移主要是由大門重力導(dǎo)致的Y 方向位移構(gòu)成, X , Z 方向的變形由于相對值較小而對合位移貢獻(xiàn)較小, X 方向位移主要是由大門重心與鉸鏈鋼架不共面造成的, 不施加遠(yuǎn)端彈性支撐時, X方向分位移峰值發(fā)生位置與法蘭的剛度有關(guān), 呈現(xiàn)不規(guī)則分布, 當(dāng)施加遠(yuǎn)端彈性支撐時, X 方向位移沿法蘭水平中性面規(guī)則分布, 該翹曲位移對法蘭平面度保持極為不利。

　　(6) 增大前立柱截面尺寸, 遠(yuǎn)端彈性支撐的彈簧剛度取3 % 106N/ m 時, 即使大門封頭內(nèi)施加20 kN 的集中載荷, 單軸雙銷鉸鏈?zhǔn)酱箝T機(jī)構(gòu)的合位移也能保證在12 mm 以下, 此時大門整體的最大vonMises 應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度, 大門能夠可靠工作。