Page 21 - 《真空与低温》2026年第1期

18 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

increasing wall thickness， material costs， manufacturing complexity （particularly for welding and machining non-standard
thick sections）， and the marginal gains in safety factor， offering vital guidance for cost-effective design decisions. In re-
sponse to the identified stress concentration at the corners，a localized reinforcement strategy is proposed，which is guided by
fatigue assessment criteria rather than static strength alone，thereby ensuring enhanced durability against the cyclic loading
from repeated pump-down and venting procedures. This holistic design has been successfully fabricated and implemented in a
laser-driven vacuum experimental platform，demonstrating robust performance in practice. Consequently，this work establishes
a comprehensive and transferable design framework for specialized optical observation equipment，effectively balancing the
often-competing priorities of structural stability，economic feasibility，and precise functional compatibility.
Key words：cubic vacuum vessel；finite element verification；vacuum technology；non-circular cross-section

0 引言 化设计”的递进研究框架。首先，依据 GB/T 150.3—
[2]
2024 ，建立了适用于立方体容器的设计计算模型，
为探究某材料在真空与激光加热条件下的特
明确了外压下的强度与刚度校核准则。继而，通过
性，本文搭建了一套定制化的真空光学测试装置，
三维有限元仿真构建参数化实体模型，精细解析了
该装置主体是一个可密封的方形真空腔体，腔体内
外压载荷下容器整体的形变场、应力场分布规律，
部尺寸为 600 mm×600 mm×600 mm。为确保装置
特别是拐角区域的三维不连续应力传递机制，并与
的真空完整性，其正面设有一扇采用铰链连接、开
理论计算结果进行对比验证。在此基础上，综合强
合角度大于 180°、O 形圈密封的腔门，门上集成
度、刚度、成本与密封可靠性等多重目标，对比分
150 mm×250 mm 规格的观察窗，采用双层 O 形圈
析了不同壁厚方案，并对核心透射部件——观察窗
配合不锈钢压盖的连接方式，用于实时观测实验过
进行了选型与参数优化设计，最终形成一套完整且
程。为满足激光加热需求，腔体左右两侧还各配
经过验证的立方形真空容器工程设计范式。
置 CF50 真空观察窗，用于透射激光束。三维设计
如图 1 所示。 1 设计理论与计算

1.1 符号定义与参数说明
截面为正方形的真空腔体，腔体外表面均匀分
布外压载荷，故应力分析需针对性修正传统内压容
器计算路径，如表 1 所列。
本设计立方体容器壳体遵循 GB/T 150.3—
[2]
2024 中对称矩形容器的设计框架，其截面示意与
符号引用自图 2。
1.2 设计计算
由于截面为正方形，故短边侧板和长边侧板的
应力计算方式相同（ α = 1，K = 1），如图 2 所示，侧
图 1 真空光学测试装置
板上 点和 点的薄膜应力按式（1）计算 ：
[2]
Fig. 1 Vacuum optical test setup N Q

p c h 0.1×600 30
N
立方形真空容器在激光与材料相互作用研究 σ = σ = 2δ = 2δ = δ （1）
Q
m
m
中具有不可替代的空间效率与光学布置优势。然
式中：p c 为计算压力，MPa； δ为侧板厚度，mm。
而，其非圆形截面在均匀外压作用下产生的复杂应
侧板上 N 点和 Q 点的弯曲应力分别由式（2）
力耦合与三维不连续效应，长期制约着此类光学实
[2]
（N 点）、式（3）（Q 点）计算 ：
验平台的结构可靠性与密封稳定性。传统圆筒容
2
2 ( 1+α K ) 18000
p c ch L s 6d j
2
N
器设计规范难以直接适用于棱角结构，而现有研究 σ = −1.5α + + =
b
12I 1 1+ K h 2 δ 2
多集中于大型工业设备，例如 CRAFT 聚变装置真 （2）
空绝热冷箱设计与应力分析 的研究，对微型光学 p c ch L s 1+α K ) 18000
[1]
(
2
2
Q
真空腔体的薄膜-弯曲应力协同控制缺乏系统方案。 σ = = − δ 2 （负值舍去）
b
12I 1 1+ K
基于此，本文构建了一套“理论建模-仿真验证-优 （3）