1 m3/h 氦膨胀制冷氢液化冷箱模态与地震响应谱分析

妙 丛，张振扬，张 震，解 辉

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

我国是受地震灾害较为严重的国家，本项目所研究的冷箱设计使用寿命长，且会生产易燃易爆的液氢，一旦发生泄露后果难以想象，所以地震灾害的影响必须考虑在内。在横向载荷作用下，地震载荷容易造成冷箱较大的振动和变形，并且地震载荷对反应塔有很强的破坏力，因此对反应塔进行模态与地震响应谱分析至关重要[1]。有限元分析广泛应用于宇航、核、机电、化工、建筑、海洋等领域，是机械产品动、静、热特性分析的重要手段，ANSYS 作为大型有限元分析软件具有成熟可靠的处理能力[2]。本文使用Creo 8.0 建立了冷箱的三维实体模型，并采用Creo 8.0 集成的应用程序ANSYS simulation 对冷箱的位移模态频率、位移振型以及地震响应谱等进行了分析和研究，为冷箱优化提供理论依据，为冷箱的抗震设计提供参考[3]。

1 氢液化系统工艺流程

氢液化系统的工艺流程图如图1 所示，由图1 可知氢液化冷箱主要由换热器、吸附器、转化器等组成，管路及设备较多。

图1 氢液化系统工艺流程图

2 冷箱有限元模型建立

冷箱的建模主要包括法兰和筒体两大部分，冷箱直径3 600 mm，高度3 700 mm，材料均为不锈钢，材料属性见表1，共创建86 631 个节点，43 398 个网格，冷箱网格划分如图2 所示，全局网格大小如图3 所示。

表1 冷箱材料属性

图2 冷箱网格划分示意图

图3 冷箱全局网格大小

3 冷箱模态分析

为避免冷箱在复杂工况下发生共振反应，现进行冷箱的前18 阶非零模态分析，得到模态频率和振型，并分析模态振型样式[4~6]。冷箱前18 阶非零阶模态频率变化趋势图如图4 所示。

图4 冷箱前18 阶非零模态频率变化趋势图

冷箱前18 阶非零模态频率位移变化关系图如图5 所示。冷箱前18 阶非零模态如图6 所示。

图5 冷箱前18 阶非零模态频率位移变化关系图

由图6 可以看出冷箱模态振型特点主要为左右偏移、法兰凸起、筒体变形+法兰凸起、Z 轴扭转，具体见表2。

图6 冷箱1~18 阶非零模态

表2 冷箱模态振型特点

4 冷箱地震工况下应力及位移量分析

冷箱在8 级地震工况下，位移量和应力云图如图7 和图8 所示，最大位移量为1.9×10-5mm，所受最大应力1.3 KPa，冷箱变形及所受应力均十分小，可以忽略不计。

图7 地震工况下冷箱位移量

图8 地震工况下冷箱应力云图

5 结论

冷箱实物图如图9 所示。

图9 冷箱实物图

该冷箱已经投入生产使用，运行正常，经过对氢液化真空冷箱模态和地震载荷分析，得到如下结论。

（1）冷箱模态频率较高，不易受风载影响。

（2）冷箱模态振型以左右偏移、法兰凸起、筒体变形+法兰凸起、Z 轴扭转为主，40 Hz 以上高阶频率对冷箱影响很大。

（3）在地震载荷激励下，冷箱没有产生大的变形和应力，冷箱结构强度满足抗震要求。