某超大真空容器新型大門(mén)法蘭焊接方案模擬與分析

某超大真空容器新型大門(mén)法蘭焊接方案模擬與分析大門(mén)法蘭是某直徑17m超大真空容器的關(guān)鍵部件，其剛度特性直接影響到真空容器的密封效果及穩(wěn)定性。針對(duì)超大真空容器傳統(tǒng)形式法蘭加工制造困難、消耗材料較多、構(gòu)造剛度較差等問(wèn)題，提出了一種新型的法蘭構(gòu)造形式。而新型法蘭的焊接工藝將對(duì)其構(gòu)造強(qiáng)度有較大影響，通過(guò)有限元模擬了大門(mén)法蘭的兩種焊接方案，并對(duì)焊后的應(yīng)力及變形開(kāi)展了分析，從而優(yōu)選出焊接方案Ⅱ。采用焊接方案Ⅱ，焊后的最大變形量為18.3mm，兩條焊縫的最大殘余應(yīng)力分別為210和270MPa。

某直徑17m的立式超大真空容器主要用于大型航天器的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)，屬于特種壓力容器設(shè)備。大門(mén)法蘭是超大真空容器的關(guān)鍵部件，可實(shí)現(xiàn)封頭與筒體的對(duì)接配合及真空密封。目前，還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)真空容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)通常參照壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展。壓力容器所采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有兩大類(lèi)：一種是按規(guī)范開(kāi)展設(shè)計(jì)，稱(chēng)為“常規(guī)設(shè)計(jì)”；另一種是按應(yīng)力分析設(shè)計(jì)，稱(chēng)為“分析設(shè)計(jì)”。而無(wú)論哪種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，都未對(duì)真空容器的大門(mén)法蘭構(gòu)造做出具體規(guī)范。通常，真空容器大門(mén)法蘭的傳統(tǒng)形式為高頸厚法蘭，需要鍛造加工，不但重量較大且整體剛度也較差。隨著真空容器筒體直徑的增大，大門(mén)法蘭的加工制造越來(lái)越困難，消耗的材料也隨之增多；另一方面，大門(mén)法蘭與封頭殼體連接處由于構(gòu)造不連續(xù)，在外壓作用下剛度較差，而大門(mén)法蘭的剛度特性將直接影響到真空密封效果和構(gòu)造穩(wěn)定性。因此，急需針對(duì)超大真空容器設(shè)計(jì)一種高剛度、輕量化的大門(mén)法蘭構(gòu)造。

另外，對(duì)于超大真空容器，由于整體尺寸較大，大門(mén)法蘭與封頭焊接時(shí)的焊接應(yīng)力及變形控制十分重要。焊接過(guò)程中的點(diǎn)狀熱源加熱，會(huì)在被焊工件中形成不均勻溫度場(chǎng)，使焊縫及其鄰近母材金屬非均勻膨脹和收縮，從而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力會(huì)引起工件的焊接殘余變形，這種變形是不可逆的。對(duì)于大門(mén)法蘭，焊接殘余變形將直接影響到其焊后的加工及密封性。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認(rèn)為對(duì)超大真空容器大門(mén)法蘭的焊接方案開(kāi)展模擬分析是十分必要的。

本文提出一種輕型高剛度大門(mén)法蘭構(gòu)造用于某超大真空容器，為了對(duì)法蘭與封頭的焊接方案開(kāi)展研究，利用有限元軟件對(duì)焊接過(guò)程開(kāi)展了模擬，并對(duì)焊后的應(yīng)力及變形開(kāi)展了分析，從而優(yōu)選出適當(dāng)?shù)暮附臃桨浮?、新型超大法蘭構(gòu)造

某超大型空間環(huán)境模擬器立式真空容器筒體直徑達(dá)17m，為該容器設(shè)計(jì)封頭大門(mén)法蘭，若采用傳統(tǒng)的高徑法蘭構(gòu)造形式，法蘭主體為250mm厚的不銹鋼鍛件，其加工制造比較困難，且在法蘭與封頭殼體連接處具有明顯的不連續(xù)構(gòu)造特征，這會(huì)導(dǎo)致局部出現(xiàn)較大應(yīng)力，影響整體剛度。為此，設(shè)計(jì)一種新型的空心法蘭構(gòu)造形式，將不銹鋼鍛件的厚度減小為120mm，不但降低了制造難度而且節(jié)約了材料，同時(shí)在法蘭面與封頭殼體間增設(shè)碳鋼圈，以加強(qiáng)整體剛度并改善構(gòu)造不連續(xù)處的應(yīng)力狀態(tài)。新型法蘭構(gòu)造如圖1所示。

圖1新型超大法蘭構(gòu)造形式2、法蘭焊接工藝模擬與分析

2.1、理論依據(jù)及分析方法

目前，熱彈塑性分析理論在研究焊接應(yīng)力和變形問(wèn)題中應(yīng)用比較廣泛。熱彈塑性分析是通過(guò)跟蹤熱應(yīng)變行為來(lái)計(jì)算熱應(yīng)力和應(yīng)變的，該方法需要采用有限元計(jì)算方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。本研究基于熱彈塑性理論，借助有限元軟件MSC.Marc在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接應(yīng)力和變形的模擬計(jì)算。對(duì)于體積為V，表面積為Γ的連續(xù)介質(zhì)，熱傳導(dǎo)的微分方程為

式中：T為溫度，T/xj為溫度梯度，λij為熱導(dǎo)率張量分量，Q為單位體積的熱生成率，ρ為質(zhì)量密度，c為比熱容，t為時(shí)間。3、結(jié)論

本文針對(duì)某超大真空容器傳統(tǒng)形式厚法蘭加工制造困難、消耗材料較多、構(gòu)造剛度較差等問(wèn)題，提出了一種新型的法蘭構(gòu)造形式。通過(guò)有限元模擬了大門(mén)法蘭構(gòu)造的焊接過(guò)程，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于大門(mén)法蘭構(gòu)造，兩種焊接方案下，焊縫2的焊后縱向殘余應(yīng)力峰值水平接近270MPa，焊縫1的焊后縱向殘余應(yīng)力峰值約為210MPa，應(yīng)力峰值的差異是由于焊縫處幾何形狀差異所致；

(2)對(duì)于大門(mén)法蘭構(gòu)造，焊后縱向應(yīng)力曲線的規(guī)律性明顯，兩種焊接方案中