1 m3/h 氦膨脹制冷氫液化冷箱模態與地震響應譜分析

妙 叢，張振揚，張 震，解 輝

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

我國是受地震災害較為嚴重的國家，本項目所研究的冷箱設計使用壽命長，且會生產易燃易爆的液氫，一旦發生泄露后果難以想象，所以地震災害的影響必須考慮在內。在橫向載荷作用下，地震載荷容易造成冷箱較大的振動和變形，并且地震載荷對反應塔有很強的破壞力，因此對反應塔進行模態與地震響應譜分析至關重要[1]。有限元分析廣泛應用于宇航、核、機電、化工、建筑、海洋等領域，是機械產品動、靜、熱特性分析的重要手段，ANSYS 作為大型有限元分析軟件具有成熟可靠的處理能力[2]。本文使用Creo 8.0 建立了冷箱的三維實體模型，并采用Creo 8.0 集成的應用程序ANSYS simulation 對冷箱的位移模態頻率、位移振型以及地震響應譜等進行了分析和研究，為冷箱優化提供理論依據，為冷箱的抗震設計提供參考[3]。

1 氫液化系統工藝流程

氫液化系統的工藝流程圖如圖1 所示，由圖1 可知氫液化冷箱主要由換熱器、吸附器、轉化器等組成，管路及設備較多。

圖1 氫液化系統工藝流程圖

2 冷箱有限元模型建立

冷箱的建模主要包括法蘭和筒體兩大部分，冷箱直徑3 600 mm，高度3 700 mm，材料均為不銹鋼，材料屬性見表1，共創建86 631 個節點，43 398 個網格，冷箱網格劃分如圖2 所示，全局網格大小如圖3 所示。

表1 冷箱材料屬性

圖2 冷箱網格劃分示意圖

圖3 冷箱全局網格大小

3 冷箱模態分析

為避免冷箱在復雜工況下發生共振反應，現進行冷箱的前18 階非零模態分析，得到模態頻率和振型，并分析模態振型樣式[4~6]。冷箱前18 階非零階模態頻率變化趨勢圖如圖4 所示。

圖4 冷箱前18 階非零模態頻率變化趨勢圖

冷箱前18 階非零模態頻率位移變化關系圖如圖5 所示。冷箱前18 階非零模態如圖6 所示。

圖5 冷箱前18 階非零模態頻率位移變化關系圖

由圖6 可以看出冷箱模態振型特點主要為左右偏移、法蘭凸起、筒體變形+法蘭凸起、Z 軸扭轉，具體見表2。

圖6 冷箱1~18 階非零模態

表2 冷箱模態振型特點

4 冷箱地震工況下應力及位移量分析

冷箱在8 級地震工況下，位移量和應力云圖如圖7 和圖8 所示，最大位移量為1.9×10-5mm，所受最大應力1.3 KPa，冷箱變形及所受應力均十分小，可以忽略不計。

圖7 地震工況下冷箱位移量

圖8 地震工況下冷箱應力云圖

5 結論

冷箱實物圖如圖9 所示。

圖9 冷箱實物圖

該冷箱已經投入生產使用，運行正常，經過對氫液化真空冷箱模態和地震載荷分析，得到如下結論。

（1）冷箱模態頻率較高，不易受風載影響。

（2）冷箱模態振型以左右偏移、法蘭凸起、筒體變形+法蘭凸起、Z 軸扭轉為主，40 Hz 以上高階頻率對冷箱影響很大。

（3）在地震載荷激勵下，冷箱沒有產生大的變形和應力，冷箱結構強度滿足抗震要求。