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高低溫試驗箱箱體內框架主體的結構設計

作(zuo)者(zhe)：網絡編輯：瑞凱儀器來源(yuan)：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(shi)驗(yan)箱(xiang)(xiang)箱(xiang)(xiang)體(ti)內(nei)框(kuang)(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)主體(ti)采用(yong)不(bu)銹鋼(gang)材質，保(bao)證(zheng)在(zai)高、低溫交變環(huan)境下保(bao)持機械性(xing)(xing)(xing)(xing)能基本不(bu)衰減。內(nei)框(kuang)(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)的(de)(de)主體(ti)承重結(jie)構由100mmx100mm的(de)(de)方(fang)型(xing)鋼(gang)組成，包括豎(shu)梁(liang)與橫梁(liang)，相互垂(chui)直交叉焊接(jie)固(gu)定形(xing)(xing)(xing)成立方(fang)網(wang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)結(jie)構。高低溫試(shi)驗(yan)箱(xiang)(xiang)箱(xiang)(xiang)體(ti)的(de)(de)密(mi)封面板(ban)(ban)嵌入立方(fang)網(wang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)結(jie)構的(de)(de)網(wang)格中，面板(ban)(ban)邊緣(yuan)與立方(fang)網(wang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)通過焊接(jie)形(xing)(xing)(xing)式(shi)(shi)連接(jie)，形(xing)(xing)(xing)成密(mi)封面;密(mi)封面板(ban)(ban)采用(yong)波(bo)紋(wen)板(ban)(ban)形(xing)(xing)(xing)式(shi)(shi)，可為整(zheng)體(ti)內(nei)框(kuang)(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)提供一定的(de)(de)剛性(xing)(xing)(xing)(xing),并具(ju)有耐受高低溫環(huan)境的(de)(de)功(gong)能。試(shi)驗(yan)箱(xiang)(xiang)體(ti)內(nei)框(kuang)(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)的(de)(de)地(di)面部分則采用(yong)平(ping)(ping)板(ban)(ban)，保(bao)證(zheng)地(di)面平(ping)(ping)順(shun)性(xing)(xing)(xing)(xing)。該種結(jie)構形(xing)(xing)(xing)式(shi)(shi)既(ji)能使試(shi)驗(yan)箱(xiang)(xiang)體(ti)內(nei)框(kuang)(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)具(ju)有良好的(de)(de)剛性(xing)(xing)(xing)(xing)，又能保(bao)證(zheng)內(nei)框(kuang)(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)(jia)(jia)的(de)(de)輕(qing)質，降低試(shi)驗(yan)空間內(nei)的(de)(de)附加熱容(rong)。

高低溫試驗箱箱體內框架主題示意圖

   1、內(nei)框架主體面板的(de)結構(gou)選(xuan)擇

在試(shi)驗系統的(de)(de)運行過程中，箱體(ti)內外的(de)(de)換熱(re)(re)熱(re)(re)流方向為薄壁(bi)面板的(de)(de)法(fa)向方向，且不銹(xiu)鋼(gang)導(dao)熱(re)(re)系數較(jiao)大，因此(ci)內框(kuang)架主體(ti)可視為等溫體(ti)。薄壁(bi)面板的(de)(de)結構設(she)計(ji)可有常用兩種可選結構形(xing)式:直角波紋，三角波紋，其(qi)截面形(xing)式如圖(tu)3-2所示。

薄壁面板的結構形式

    兩種(zhong)結構的選擇對高低溫(wen)試(shi)(shi)驗箱箱體(ti)的絕熱性能(neng)影響(xiang)可以(yi)忽略(lve)，但(dan)是(shi)對箱體(ti)內(nei)(nei)框(kuang)架的機械性能(neng)有影響(xiang)。在試(shi)(shi)驗箱體(ti)正常運行過(guo)程中，內(nei)(nei)框(kuang)架主體(ti)的工(gong)作環(huan)(huan)境(jing)包括:高、低溫(wen)環(huan)(huan)境(jing)負(fu)荷(he)(he)(he)，內(nei)(nei)外壓差負(fu)荷(he)(he)(he)，保(bao)溫(wen)層(ceng)的重力負(fu)荷(he)(he)(he)等。內(nei)(nei)框(kuang)架主體(ti)的主要負(fu)荷(he)(he)(he)為:
    溫度負荷: - 120℃~ 170℃;
    壓差負(fu)荷: Pmax = 300Pa;
    保溫層重力負(fu)荷: P頂=800Pa; P四周=200Pa

當內框(kuang)架的(de)面板分別采用直角波紋(wen)、三角波紋(wen)的(de)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(you)表中的(de)(de)(de)(de)(de)計算結果可知(zhi):當(dang)薄壁(bi)面板(ban)采用直(zhi)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)波(bo)紋(wen)結構(gou)形(xing)式時(shi)，內(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)主體的(de)(de)(de)(de)(de)剛性與強(qiang)度(du)(du)(du)得到改(gai)善。直(zhi)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)波(bo)紋(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)變為27.8mm,發生(sheng)(sheng)位置位于(yu)箱體內(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)側(ce)面。采用三(san)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)波(bo)紋(wen)面板(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)頂(ding)(ding)面形(xing)變則(ze)略小于(yu)采用直(zhi)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)波(bo)紋(wen)的(de)(de)(de)(de)(de)情況，這是因(yin)為箱體內(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)變形(xing)由(you)溫度(du)(du)(du)載荷與機(ji)械載荷綜(zong)合(he)作用產生(sheng)(sheng)。當(dang)溫度(du)(du)(du)為170℃高溫工況時(shi)，整個內(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)受熱(re)膨脹，兩(liang)種結構(gou)形(xing)式的(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)頂(ding)(ding)面均產生(sheng)(sheng)由(you)溫度(du)(du)(du)變化引(yin)起的(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)向(xiang)(xiang).上的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)變，而(er)三(san)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)波(bo)紋(wen)結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)其壁(bi)面與頂(ding)(ding)面剛度(du)(du)(du)較弱，由(you)機(ji)械載荷產生(sheng)(sheng)更(geng)大的(de)(de)(de)(de)(de)撓度(du)(du)(du)，導致(zhi)頂(ding)(ding)面產生(sheng)(sheng)更(geng)大的(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)(xiang)向(xiang)(xiang)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)補償變形(xing)，兩(liang)者綜(zong)合(he)作用下(xia)，導致(zhi)三(san)角(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)波(bo)紋(wen)結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)頂(ding)(ding)面變形(xing)更(geng)小。兩(liang)種面板(ban)結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)內(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)von-mises應力相近，均符合(he)材料許用強(qiang)度(du)(du)(du)要求(qiu)。

  2、面(mian)板(ban)波紋結構的(de)優化選(xuan)擇

由于采用三角波(bo)紋(wen)與直角波(bo)紋(wen)面板結構(gou)的內框(kuang)架(jia)計算(suan)結果(guo)相(xiang)近，我們有必要(yao)研究在整個(ge)試驗系(xi)統工作溫(wen)度范(fan)圍(wei)中內框(kuang)架(jia)結構(gou)的機(ji)械(xie)響應情況。

箱體內框架隨紅做溫度的形變圖

如圖3-4所示(shi)，空(kong)心、實(shi)心的點分別代表三(san)角形波紋、直角波紋對應的(de)狀態;

max, up, side則分別代表(biao)整體(ti)(ti)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)，頂(ding)部形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)，側面(mian)(mian)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)。當箱(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)(ti)工(gong)(gong)(gong)作環境溫度(du)(du)(du)從20℃下(xia)降(jiang)至(zhi)(zhi)-120℃過程(cheng)中(zhong)，內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)逐漸(jian)增(zeng)加直(zhi)到(dao)峰(feng)值(zhi)。采用三(san)(san)角波(bo)紋(wen)(wen)結構與直(zhi)角波(bo)紋(wen)(wen)結構的(de)(de)內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)峰(feng)值(zhi)分別為46mm與40mm,形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)處均位于(yu)(yu)試(shi)驗箱(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)(ti)內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)頂(ding)面(mian)(mian)。在(zai)(zai)箱(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)(ti)工(gong)(gong)(gong)作在(zai)(zai)溫度(du)(du)(du)下(xia)限(xian)-120℃時(shi)(shi)，內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)受冷收縮使頂(ding)面(mian)(mian)位置(zhi)下(xia)沉，與試(shi)驗箱(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)(ti)所受的(de)(de)重力載荷共同作用，使內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)頂(ding)面(mian)(mian)的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)達到(dao)全工(gong)(gong)(gong)況值(zhi)。在(zai)(zai)同樣的(de)(de)降(jiang)溫過程(cheng)中(zhong)，內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)壁面(mian)(mian)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)增(zeng)加幅度(du)(du)(du)較小(xiao)，形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)峰(feng)值(zhi)在(zai)(zai)20mm左右，其(qi)中(zhong)采用直(zhi)角波(bo)紋(wen)(wen)結構的(de)(de)內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)略(lve)小(xiao)于(yu)(yu)三(san)(san)角波(bo)紋(wen)(wen)的(de)(de)情況。當箱(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)(ti)工(gong)(gong)(gong)作溫度(du)(du)(du)范(fan)圍為20℃~70℃時(shi)(shi)，內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)在(zai)(zai)這(zhe)一(yi)一(yi)溫度(du)(du)(du)區間(jian)內(nei)(nei)變(bian)(bian)(bian)(bian)化不大，維持在(zai)(zai)20mm -25mm區間(jian)內(nei)(nei);形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)的(de)(de)發生位置(zhi)從內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)項面(mian)(mian)向側面(mian)(mian)轉移(yi)，頂(ding)面(mian)(mian)的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)不斷減(jian)小(xiao)。當箱(xiang)(xiang)(xiang)體(ti)(ti)工(gong)(gong)(gong)作溫度(du)(du)(du)從70°C繼續(xu)增(zeng)加至(zhi)(zhi)170℃時(shi)(shi)，內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)頂(ding)面(mian)(mian)的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)繼續(xu)減(jian)小(xiao)直(zhi)至(zhi)(zhi)在(zai)(zai)120C達到(dao)值(zhi)3mm以內(nei)(nei)，之后隨(sui)著溫度(du)(du)(du)上(shang)升(sheng)繼續(xu)增(zeng)大。在(zai)(zai)70℃~170℃溫度(du)(du)(du)變(bian)(bian)(bian)(bian)化區間(jian)內(nei)(nei)，內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)隨(sui)溫度(du)(du)(du)增(zeng)加不斷增(zeng)大，增(zeng)大幅度(du)(du)(du)小(xiao)于(yu)(yu)降(jiang)溫工(gong)(gong)(gong)況。該升(sheng)溫階段內(nei)(nei)框(kuang)(kuang)架(jia)(jia)(jia)的(de)(de)形(xing)(xing)變(bian)(bian)(bian)(bian)發生在(zai)(zai)壁面(mian)(mian)，其(qi)峰(feng)值(zhi)為27mm。
綜上所述(shu)，在試驗箱體工作(zuo)溫(wen)度- 120℃~ 170℃范圍(wei)內，采用(yong)直(zhi)角(jiao)波紋結構(gou)(gou)波紋板的(de)(de)內框架形變要采用(yong)三角(jiao)波紋結構(gou)(gou)的(de)(de)情況,其形變的(de)(de)峰值為40mm,其結構(gou)(gou)具(ju)有更好的(de)(de)剛性。故本文(wen)的(de)(de)高低(di)溫(wen)試驗箱箱體內框架面板采用(yong)直(zhi)角(jiao)波紋結構(gou)(gou)。

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