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& X8 [4 F8 h2 h7 u) T/ A1 {* Q; y 最近看了一些真空设备设计的资料，真空设备这块从理论到实际设计还是比较成熟的，也有很多相关标准可循。在这分享一些。
: t5 X6 `6 I# Z) y1 |3 ]一。真空设备制造工艺技术标准规范全书
9 J4 M& c+ U" _( m) e http://pan.baidu.com/s/1i48cq81) G- @# Q' y* e- R! j3 n5 a6 W
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二。此类问题用软件分析要简便可靠的多，下面是个例子。
8 u4 s5 D$ f0 u9 q真空箱强度的分析与优化
8 e6 m. X. g/ n8 t+ R( u近年来真空冷却与气调保鲜技术的有机结合，被誉为21世纪保鲜新技术。其主要内容是由农产品的采摘、真空冷却、气调处理、贮藏和运输等多个环节形成的“冷链”组成。该技术对收获后的新鲜农产品（蔬菜、果品、花卉）的保鲜延长储存期有着明显效果，可扩大农产品异地调配范围，实现不同季节均衡上市，促进出口创汇，具有明显的社会经济效益。该保鲜技术中的一个重要部件是真空箱。它体积庞大，为了抵抗抽真空所导致的压力，一般采用不锈钢制成，这样真空箱在制造和运输过程中花费较大。为了在满足工作要求的前提下进一步降低产品材料消耗及成本，本文在对原有真空箱强度分析的基础上，利用有限元方法对真空箱进行了优化设计。
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/ ]; ?5 f, S! Y8 w一、真空箱的结构和工作条件 / V* b' p" D9 E1 n9 K8 i
) v6 G2 [; I' l& S- P图1所示是一真空箱，其外形为一长方体，外形尺寸为8900×2836×2648mm，由12mm厚的1Cr18Ni9钢板作基板和8mm厚的1Cr18Ni9钢板加强板焊接而成。在工作过程中，真空箱通过四个支脚固定，其内部处于真空状态。1 T% r3 ]' \* E
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1 N, {8 e# ? l$ s, M二、建立有限元模型
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) |9 ?0 P* O+ N. M7 q7 W4 s5 V/ E6 \% V1.模型简化及相关参数 C' Q5 M, ]! h- V
( ~7 M- q" P* W1 G; q- G) ?/ l由于真空箱使用前，在大约1个小时内由常压抽为真空，因此可以认为真空箱是处于静载作用下的，外压 Pa。 , u+ }. V7 T2 |& {5 b5 `
4 ^/ @6 h! Z0 Y, r# U工作中真空箱四个脚固定，这样其约束采用在四个节点约束6个自由度。 " e& y8 o# T7 n9 A. B0 w
) {+ Y/ _6 s" [5 K/ z2 r根据压力容器的相关规范，取安全系数n=2.0，则许用抗拉强度为：
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2.网格划分及有限元分析 6 \% e. c0 {) M
' B, e) z+ g1 f; W真空箱的焊缝强度是一个非常复杂的问题，在本文中暂不研究。在有限元模型中把焊接作为一体处理。
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+ V9 J5 V& K0 W; B9 X本例采用quad4网格形式自动划分网格。考虑建立壳（shell）单元时厚度的不同，以及加载方便，分别以前后基板、左右基板、上下基板和加强板建立四个分组。
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为使划分的网格匹配，保证基板和加强板之间的载荷传递，采用小块表面（surface）建立几何模型，本例共建立1722个表面。 6 G5 y# e4 ^% ?% [. B
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加上边界条件和材料后，使用Nastran2004对其进行分析，结果如图2所示。( C9 u( J# w: n7 p. ~
+ M& I* Z) _2 P从图中可以得到：工作应力σmax=308 MPa，
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) @3 u& ^ ~% M5 K所以，当强度剩余系数g2时，即可以满足使用要求。
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三、优化设计 8 K0 C, G) a+ V5 A
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以基板和加强板的厚度作为设计变量，根据前面的分析和设计经验，基板的厚度值范围应限定为5～13mm，加强板的厚度值范围应限定为3～9mm。设计的目标是达到重量最轻，设计约束为VON Mises应力值在-450～450MPa。
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本例在分析中设定的循环次数为10，而在实际计算中只循环了4次就逼近了设计目标。优化结果分别如图3、图4和图5所示。
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查看*.f06文件，优化的详细结果如下： - H* L- ~0 l% @9 l3 t9 h7 @
3 L% z& `$ Z2 Y# [7 B设计变量的值为：左右基板厚度为5.0013mm，前后基板厚度为5.0mm，上下基板厚度为5.0004mm、加强板厚度为7.8316mm。 # D3 `1 r6 S+ ], x9 m; N' H7 ~- p% O
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经过优化设计后，真空箱重量由13120Kg减小为7897Kg。
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; l* Q9 k5 w& u# M" F四、小结 8 o( Y; D( a; v* ^$ V: B# y
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本文首先对原有的真空箱进行了强度分析，确定了其强度有较大裕度。然后在上述分析的基础上，使用有限元方法以重量为优化目标对真空箱进行了优化设计，并获得了最小壁厚。从优化设计后的结果来看，真空箱的重量由13120Kg降低到7897Kg，重量减少了40％，效果比较明显。 ) m8 e3 U! z; ^) |0 @7 n
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发表于 2016-9-30 09:35:54
