大門法蘭是某直徑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、結(jié)構(gòu)剛度較差等問題，提出了一種新型的法蘭結(jié)構(gòu)形式。而新型法蘭的焊接工藝將對其結(jié)構(gòu)強度有較大影響，通過有限元模擬了大門法蘭的兩種焊接方案，并對焊后的應(yīng)力及變形進行了分析，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，屬于特種壓力容器設(shè)備。大門法蘭是超大真空容器的關(guān)鍵部件，可實現(xiàn)封頭與筒體的對接配合及真空密封。目前，還沒有專門針對真空容器的設(shè)計標準，其設(shè)計通常參照壓力容器設(shè)計標準進行。壓力容器所采用的設(shè)計標準有兩大類：一種是按規(guī)范進行設(shè)計，稱為“常規(guī)設(shè)計”；另一種是按應(yīng)力分析設(shè)計，稱為“分析設(shè)計”。而無論哪種設(shè)計標準，都未對真空容器的大門法蘭結(jié)構(gòu)做出具體規(guī)范。通常，真空容器大門法蘭的傳統(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，大門法蘭的加工制造越來越困難，消耗的材料也隨之增多；另一方面，大門法蘭與封頭殼體連接處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，在外壓作用下剛度較差，而大門法蘭的剛度特性將直接影響到真空密封效果和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，急需針對超大真空容器設(shè)計一種高剛度、輕量化的大門法蘭結(jié)構(gòu)。

　　另外，對于超大真空容器，由于整體尺寸較大，大門法蘭與封頭焊接時的焊接應(yīng)力及變形控制十分重要。焊接過程中的點狀熱源加熱，會在被焊工件中形成不均勻溫度場，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)力會引起工件的焊接殘余變形，這種變形是不可逆的。對于大門法蘭，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://www.mp99x.cn/)認為對超大真空容器大門法蘭的焊接方案進行模擬分析是十分必要的。

　　本文提出一種輕型高剛度大門法蘭結(jié)構(gòu)用于某超大真空容器，為了對法蘭與封頭的焊接方案進行研究，利用有限元軟件對焊接過程進行了模擬，并對焊后的應(yīng)力及變形進行了分析，從而優(yōu)選出適當?shù)暮附臃桨浮?/p>

1、新型超大法蘭結(jié)構(gòu)

　　某超大型空間環(huán)境模擬器立式真空容器筒體直徑達17m，為該容器設(shè)計封頭大門法蘭，若采用傳統(tǒng)的高徑法蘭結(jié)構(gòu)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)結(jié)構(gòu)特征，這會導(dǎo)致局部出現(xiàn)較大應(yīng)力，影響整體剛度。為此，設(shè)計一種新型的空心法蘭結(jié)構(gòu)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，同時在法蘭面與封頭殼體間增設(shè)碳鋼圈，以加強整體剛度并改善結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的應(yīng)力狀態(tài)。新型法蘭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　新型超大法蘭結(jié)構(gòu)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)力和變形問題中應(yīng)用比較廣泛。熱彈塑性分析是通過跟蹤熱應(yīng)變行為來計算熱應(yīng)力和應(yīng)變的，該方法需要采用有限元計算方法在計算機上實現(xiàn)。本研究基于熱彈塑性理論，借助有限元軟件MSC.Marc在計算機上實現(xiàn)對焊接應(yīng)力和變形的模擬計算。對于體積為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為時間。

3、結(jié)論

　　本文針對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、結(jié)構(gòu)剛度較差等問題，提出了一種新型的法蘭結(jié)構(gòu)形式。通過有限元模擬了大門法蘭結(jié)構(gòu)的焊接過程，得出以下結(jié)論：

　　(1)對于大門法蘭結(jié)構(gòu)，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)力峰值的差別是由于焊縫處幾何形狀差異所致；

　　(2)對于大門法蘭結(jié)構(gòu)，焊后縱向應(yīng)力曲線的規(guī)律性明顯，兩種焊接方案中，焊接方案Ⅱ在結(jié)構(gòu)的焊后應(yīng)力與變形控制上優(yōu)于焊接方案Ⅰ，因此推薦采用焊接方案Ⅱ；

　　(3)由于較大的殘余應(yīng)力會引起法蘭結(jié)構(gòu)變形，所以焊后需采取必要的消除殘余應(yīng)力措施。