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高低温试验箱箱体内框架主体的结构设计

作者: 网络 编辑: 瑞凯仪器 来源: 网络 发布日期: 2020.06.09
    本文设计的高低温试验箱箱体的内部工作环境为非真空状态,工作温度范围广,内部空间尺寸跨度较大,对内框架的设计提出了挑战。如果由内框架主体来承受试验所产生的吊挂荷载,内框架的空间大跨度势必引起内框架设计重量的增加,从而与其轻量化的设计目标矛盾。因此,本文对内框架提出了一种新的设计形式:内、外框架弱连接形式,内框架只承受地面机械载荷与四周壁面、顶面保温结构的重力载荷,试验系统产生的吊挂载荷则由空中转接平台承受,转接平台通过吊杆固定在试验箱体的外框架上。这种内外框架弱连接的分离式设计可有效解决减轻内框架质量与机械承载性能的矛盾。

    如图3-1所示,试验箱箱体内框架主体采用不锈钢材质,保证在高、低温交变环境下保持机械性能基本不衰减。内框架的主体承重结构由100mmx100mm的方型钢组成,包括竖梁与横梁,相互垂直交叉焊接固定形成立方网架结构。高低温试验箱箱体的密封面板嵌入立方网架结构的网格中,面板边缘与立方网架通过焊接形式连接,形成密封面;密封面板采用波纹板形式,可为整体内框架提供一定的刚性,并具有耐受高低温环境的功能。试验箱体内框架的地面部分则采用平板,保证地面平顺性。该种结构形式既能使试验箱体内框架具有良好的刚性,又能保证内框架的轻质,降低试验空间内的附加热容。

高低温试验箱箱体内框架主题示意图

    1、内框架主体面板的结构选择

    在试验系统的运行过程中,箱体内外的换热热流方向为薄壁面板的法向方向,且不锈钢导热系数较大,因此内框架主体可视为等温体。薄壁面板的结构设计可有常用两种可选结构形式:直角波纹,三角波纹,其截面形式如图3-2所示。

薄壁面板的结构形式

    两种结构的选择对高低温试验箱箱体的绝热性能影响可以忽略,但是对箱体内框架的机械性能有影响。在试验箱体正常运行过程中,内框架主体的工作环境包括:高、低温环境负荷,内外压差负荷,保温层的重力负荷等。内框架主体的主要负荷为:
    温度负荷: - 120℃~ 170℃;
    压差负荷: Pmax = 300Pa;
    保温层重力负荷: P顶=800Pa; P四周=200Pa

    当内框架的面板分别采用直角波纹、三角波纹的结构形式时,其主要结构参数见表3-1所示:

内框架面板的主要结构参数

内框架主体机械响应

    如图3-3所示,当试验箱体承受170℃高温环境与机械荷载的复合作用下,会发生相应形变,并产生应力。内框架的最大形变发生在箱体内框架的侧面,约为28mm,由箱体内部的正压使内框架侧面向外弯曲引起。内框架顶部则为向箱体内弯曲的型态,最大形变约为12mm, 由温度载荷与机械载荷共同引起。内框架主体的最大von-mises应力约为120MPa,符合不锈钢材料的许用应力范围。以下分析面板结构形式对箱体内框架主体的影响。在相同的面板厚度、结构参数以及荷载情况下,采取上述两种面板结构形式的内框架的机械响应计算结果见表3-2所示:

三种结构形式的内框架模拟计算结构

    由表中的计算结果可知:当薄壁面板采用直角波纹结构形式时,内框架主体的刚性与强度得到改善。直角波纹的最大形变为27.8mm,发生位置位于箱体内框架的侧面。采用三角波纹面板的内框架的顶面最大形变则略小于采用直角波纹的情况,这是因为箱体内框架的变形由温度载荷与机械载荷综合作用产生。当温度为170℃高温工况时,整个内框架受热膨胀,两种结构形式的内框架顶面均产生由温度变化引起的方向向.上的形变,而三角波纹结构的内框架其壁面与顶面刚度较弱,由机械载荷产生更大的挠度,导致顶面产生更大的方向向下的补偿变形,两者综合作用下,导致三角波纹结构的顶面变形更小。两种面板结构的内框架最大von-mises应力相近,均符合材料许用强度要求。

    2、面板波纹结构的优化选择

    由于采用三角波纹与直角波纹面板结构的内框架计算结果相近,我们有必要研究在整个试验系统工作温度范围中内框架结构的机械响应情况。

箱体内框架随红做温度的形变图

    如图3-4所示,空心、实心的点分别代表三角形波纹、直角波纹对应的状态;

    max, up, side则分别代表整体最大形变,顶部最大形变,侧面最大形变。当箱体工作环境温度从20℃下降至-120℃过程中,内框架的最大形变逐渐增加直到峰值。采用三角波纹结构与直角波纹结构的内框架最大形变峰值分别为46mm与40mm,最大形变处均位于试验箱体内框架顶面。在箱体工作在温度下限-120℃时,内框架受冷收缩使顶面位置下沉,与试验箱体所受的重力载荷共同作用,使内框架顶面的形变达到全工况最大值。在同样的降温过程中,内框架壁面形变增加幅度较小,最大形变峰值在20mm左右,其中采用直角波纹结构的内框架形变略小于三角波纹的情况。当箱体工作温度范围为20℃~70℃时,内框架的最大形变在这一一温度区间内变化不大,维持在20mm -25mm区间内;最大形变的发生位置从内框架项面向侧面转移,顶面的最大形变不断减小。当箱体工作温度从70°C继续增加至170℃时,内框架顶面的最大形变继续减小直至在120C达到最低值3mm以内,之后随着温度上升继续增大。在70℃~170℃温度变化区间内,内框架的最大形变随温度增加不断增大,增大幅度小于降温工况。该升温阶段内框架的最大形变发生在壁面,其峰值为27mm。
    综上所述,在试验箱体工作温度- 120℃~ 170℃范围内,采用直角波纹结构波纹板的内框架最大形变要采用三角波纹结构的情况,其最大形变的峰值为40mm,其结构具有更好的刚性。故本文的高低温试验箱箱体内框架面板采用直角波纹结构。
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