薄壁球壳刚度有限元分析

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1、薄壁球壳刚度有限元分析胡孟君(中国第二重型机械机械集团公司设计研究院，四川德阳618013)摘要：薄壁球壳为实验装置提供真空环境并提供可靠支撑，使用时有很高的刚度要求。本文应用MSC.Patran和MSC.Nastran软件对三种不同壁厚的薄壁球壳进行了三维有限元分析，根据有限元分析结果计算了薄壁球壳有刚度，为确定薄壁球壳壁厚提供了计算依据。关键词：薄壁球壳有限元分析壁厚1概述原型装置靶场系统是开展物理实验的平台，多束强激光将通过终端光学组件完成强激光束的谐波转换、诊断取样和精确聚焦，在靶面产生

2、满足各类物理所要求的激光辐照场。薄壁球壳、支撑架、真空机组等，其主要设计功能是要求为激光----靶耦合、打靶实验以及考核激光特性提供真空环境；为终端光学组件、高精度靶支撑调整组件、高精度靶面多光束传感器、高精度靶定位监测仪、激光焦斑诊断仪以及各种物理参数诊断测量仪等提供精确、稳定、可靠支撑和真空环境。因此，薄壁球壳作为一个承重载体，球壳上要求开不同功能和尺寸的发兰，并通过这些发兰与实验、监测、测量设备等进行支撑并密封连接。由于薄壁球壳要为多种组件提供可靠支撑。特别是支撑终端光学组件的发兰外端面法

3、线在支撑终端光学组件后，其垂直度偏差≤0.1mrad。因此，要求薄壁球壳具有足够的刚度。本文针对薄壁球壳的初始设计作了有限元分析，以支撑终端光学组件的发兰孔轴线为参考，判别其垂直度偏差是否满足要求。2计算模型、结果及分析2.1有限元计算模型由于薄壁球壳的刚度分析，是一线性静力问题。选用MSC.Nastran进行分析计算，用MSC.Patran进行前后处理。薄壁球壳由本体和支撑架两部分组成。靶室本体所用材料为：铝合金，弹性模量：E70Gpa，密度322.710kg/m，泊松比0.5；支

4、撑架所用材料为：32不锈钢，弹性模量：E210Gpa，密度2.710kg/m。由于薄壁球壳的设计还没有最后定型，因此在建立有限元计算模型时只考虑各组终端光学组件对靶室的作用，暂不考虑其它设备对靶室的作用和开发兰孔对靶室刚度的影响。经过简化处理，得到如图1示的薄壁球壳有限元计算模型。薄壁球壳计算模型的边界条件如下所述。考虑到各组终端光学组件具有辅助支撑，辅助支撑的作用改变了终端光学组件的悬臂情况，使之对薄壁球壳的作用变成径向方向。这样在北94半球上的终端光学组件对球壳产生面压力，南半球上的

5、终端光学组件对球壳产生指向球面外法线的面力作用。由于薄壁球壳在真空状态下工作，因此应在其外表面施加一大气压力。在终端光学组件对球壳的作用面上，实际作用力为终端光学组件产图1薄壁球壳有限元计算模型生的作用力与大气压的叠加。由于薄壁球壳要求精度较高，必须考虑其自重的影响，软件根据材料密度自动将其自重转换成节点力添加到节点上。根据真孔靶室的放置方式，可以对靶室支撑架施以固定约束。2.2垂直度偏差计算方法由于真孔靶室是空心的，在施加载荷后计算得到的位移结果中，没有现成的球心位移，因此只能通过相关的位移来

6、计算球心实际发生的位移。由于对薄壁球壳的载荷是对南北极轴线中心对称施加的，因此可认为赤道圆在受载后仍然保持圆形，其圆心就是球心位置，可以通过赤道圆上的四个象限点的位移得到球心位移。发兰外端面中心法线应为为球心与发兰外端面中心的连线，由于建立有限元模型时作了简化，实际的发兰外端面中心法线是球心(O1)与发兰孔外口中心(O2)的连线（设为L）。设球心位移为Ux,y,z，发兰孔外口中心位移为Ux,y,z，则上述两个中心点的相对位移为：000111Uxx,yy,zz010101相对

7、偏移量为：222(xx)(yy)(zz)010101发兰外端面中心法线垂直度偏差为：/L利用有限元分析结果，取出上面提到的五个关键点的位移即可根据上述计算方法得到发兰外端面中心法线垂直度偏差。2.3计算结果及分析经过有限元分析计算得到了薄壁球壳在壁厚100时的关键点位移，并计算了发兰外端面中心法线垂直度偏差如表1。表中带*号的为有限元分析原始数据(下同)。表1壁厚100时外端面中心法线垂直度偏差位置节点号U(x,y,z)O*7914-0.93207E-02，-0.74147

8、E-01，0.18673E-022象限点1*10.38766E-02，-0.63118E-01，0.45482E-02象限点2*2-0.38478E-02，-0.61738E-01，-0.53142E-02象限点3*43-0.51154E-02，-0.62498E-01，0.34872E-02象限点4*1240.51676E-02，-0.62459E-01，-0.42172E-02O1-2.0250E-05，-0.624533E-01，-0.374E-03相对位移（-9.30045E-03,-0