低温真空弯头优化设计分析V1

1、王建秋王建秋北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所1.1.低温真空弯头结构分析低温真空弯头结构分析2.2.弯头应力与悬臂尺寸弯头应力与悬臂尺寸 及工作压力关系分析及工作压力关系分析3.3.结构优化方案结构优化方案主要内容主要内容北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所低温真空弯头结构分析低温真空弯头结构分析 低温真空弯头用于低温介质输送系统，为了适应低温状态下管路收缩的低温真空弯头用于低温介质输送系统，为了适应低温状态下管路收缩的特性，设计时需要在内管系统中设置补偿器，用于补偿因温度变化造成管路特性，设计时需要在内管系统中设置补偿器，用于补

2、偿因温度变化造成管路的伸长或缩短量。补偿器在低温真空弯头内相当于弹性元件，无法做到对内的伸长或缩短量。补偿器在低温真空弯头内相当于弹性元件，无法做到对内管的刚性固定，因此低温真空弯头的内管结构相当于是一端固定，一端自由管的刚性固定，因此低温真空弯头的内管结构相当于是一端固定，一端自由的悬臂梁结构。低温真空弯头结构如下图所示。的悬臂梁结构。低温真空弯头结构如下图所示。 绝热层外管内管焊接接头补偿器吸附剂封口塞北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所焊接面A焊接面BF自由端M悬臂L 由于低温真空弯头为由于低温真空弯头为90转向的结构，且又是一悬臂梁式结构，因此其在转向的结构，且又是一悬臂梁式结

3、构，因此其在应用时将受到一个由内压应用时将受到一个由内压P带来的与两直边段成带来的与两直边段成45角方向向外的作用力角方向向外的作用力F。该力对内管的固定端该力对内管的固定端A产生弯矩产生弯矩M，将导致内管，将导致内管A端受到较大的应力集中，造端受到较大的应力集中，造成其内部结构的永久变形或破裂现象，因此也将使得弯头成为低温管路输送成其内部结构的永久变形或破裂现象，因此也将使得弯头成为低温管路输送系统中较为薄弱且容易失效的环节，在弯头的整个使用寿命过程中该弯矩也系统中较为薄弱且容易失效的环节，在弯头的整个使用寿命过程中该弯矩也将是影响其使用寿命的主要因素。将是影响其使用寿命的主要因素。 应力集

4、中北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所应力与悬臂尺寸及工作压力关系应力与悬臂尺寸及工作压力关系 经分析，在弯头通径一致的情况下，影响弯头力学性能的因素主要为内经分析，在弯头通径一致的情况下，影响弯头力学性能的因素主要为内管的悬臂尺寸管的悬臂尺寸L和工作压力和工作压力P，且弯头内管所受应力，且弯头内管所受应力与悬臂与悬臂L和压力和压力P均为正均为正比关系。如下图所示为内管所受应力比关系。如下图所示为内管所受应力与悬臂与悬臂L和压力和压力P的关系曲线图，可知的关系曲线图，可知工作压力一定时随着悬臂尺寸的增大，弯头工作时所承受到的应力也就越大；工作压力一定时随着悬臂尺寸的增大，弯头工作时所承

5、受到的应力也就越大；同样在弯头尺寸一致时随着弯头工作压力的升高，其所承受的应力也在增大。同样在弯头尺寸一致时随着弯头工作压力的升高，其所承受的应力也在增大。 北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所结构优化方案结构优化方案 由悬臂由悬臂L、压力、压力P与应力与应力关系曲线可知，在管路工作压力一定时，若弯关系曲线可知，在管路工作压力一定时，若弯头尺寸过长，则其应力集中将会导致内管应力超过屈服极限，导致内管永久头尺寸过长，则其应力集中将会导致内管应力超过屈服极限，导致内管永久变形或破裂。因此设计工作压力较大且悬臂尺寸较长的低温真空弯头时，需变形或破裂。因此设计工作压力较大且悬臂尺寸较长的低温真

6、空弯头时，需要对其结构进行优化，消除内管的应力集中现象。若工作压力确定时，只能要对其结构进行优化，消除内管的应力集中现象。若工作压力确定时，只能通过缩短悬臂尺寸或增加支撑结构（其目的仍然是用于缩短悬臂尺寸）的方通过缩短悬臂尺寸或增加支撑结构（其目的仍然是用于缩短悬臂尺寸）的方案降低集中应力，如下图所示。案降低集中应力，如下图所示。FFF缩短缩短L增加支撑增加支撑优化方案北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所任务越来越多结构优化方案结构优化方案辅助支撑环形支撑 低温真空弯头的结构优化方案是在接近于低温真空弯头的结构优化方案是在接近于90转弯处悬臂一侧增加圆柱转弯处悬臂一侧增加圆柱形或扇形辅

7、助支撑（如下图所示）。辅助支撑采用玻璃钢材料，用于承受因形或扇形辅助支撑（如下图所示）。辅助支撑采用玻璃钢材料，用于承受因腔内介质工作压力引起的弯矩；环形支撑采用腔内介质工作压力引起的弯矩；环形支撑采用F4材料，由于该材料力学性能材料，由于该材料力学性能不如玻璃钢材料，因此其不用来承受介质工作压力引起的弯矩，只用于在将不如玻璃钢材料，因此其不用来承受介质工作压力引起的弯矩，只用于在将弯头布置于不同位置、不同布置方式（水平布置、竖直布置等）时支撑内管弯头布置于不同位置、不同布置方式（水平布置、竖直布置等）时支撑内管的重量。的重量。 北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所任务越来越多效果分析

8、效果分析（a）优化前应力图（b）优化后应力图 设置辅助支撑将会增加漏热率，因此设计时需要综合考虑，选择适中的设置辅助支撑将会增加漏热率，因此设计时需要综合考虑，选择适中的辅助支撑截面尺寸，兼顾强度、漏热两个方面，同时为了避免应力集中，能辅助支撑截面尺寸，兼顾强度、漏热两个方面，同时为了避免应力集中，能够使得整根内管受力更加均匀，辅助支撑与外管之间应预留够使得整根内管受力更加均匀，辅助支撑与外管之间应预留12mm间隙，间隙，如此可使得整根内管均匀受力，避免辅助支撑处局部应力集中。如下图如此可使得整根内管均匀受力，避免辅助支撑处局部应力集中。如下图a所示所示为为800800mm低温真空弯头内管在低温真空弯头内管在1.2MPa工作压力下的应力情况，图工作压力下的应力情况，图b为结为结构优化后的应力情况，优化后应力得到了一定改善。构优化后的应力情况，优化后应力得到了一定改善。 北京航天发射技术研究所北京航天发射技术研究所结论结论 针对悬臂梁式针对悬臂梁式结构问题提出结构问题提出了一种增加支了一种增