Page 23 - 《真空与低温》2026年第1期

20 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

v为材料泊松比，对于 S30408 不锈钢，取 0.3。 值得注意的是，仿真结果 1.665 mm 与 ASME 案
[9]
计算结果： q cr ≈ 0.28 MPa > 0.1 MPa，故无屈曲 例库统计均值（1.82 mm±0.21 mm） 高度吻合，佐
风险 证了模型的构建和理论计算的合理性。此位移
综上，经计算验证 8 mm 的壁厚可以满足强度 偏差揭示了工程规律：传统理论受限于理想边界假
和刚度需求。 设与剪切变形忽略，会系统性高估小尺寸容器的
变形量。在本设计中，根据所选橡胶密封圈型号
2 物理场耦合仿真与透射界面优化设计 [10]
（O 形圈）的允许压缩量及回弹性能 ，并结合容器
为系统验证理论设计模型的有效性并预测方 接口平面的许用间隙，设定了密封安全的变形阈值
腔结构在实际载荷下的力学响应，本节开展有限元 为 3 mm。仿真结果 1.665 mm 远低于此安全阈值，
数值仿真研究。模型构建遵循理论工况的几何特 验证了结构刚度对密封完整性的保障。需要注意
征与边界约束等效性原则：采用六面体主导网格对 的是，此阈值适用于特定尺寸与密封方案，不同尺
立方体腔体进行离散化，单元尺寸经收敛性验证确 寸和密封形式的容器需重新校核确定。
保计算精度；封头与侧板按等厚 8 mm 进行几何建 2.2 应力场演化规律
模，外压载荷 0.1 MPa 均匀施加于所有外表面，约束 图 4 应力云图揭示立方体方腔在外压下的复
条件根据实际安装基座布局设置（于底部四条边线 杂力学响应。理论模型预测侧板中心 N 点总应力
施加法向位移约束（模拟支座支撑），同时释放面内 为 176.475 MPa，而三维仿真结果表明，其应力值仅
平移自由度以避免过约束，以还原边界柔性特征）。 为约 80 MPa（参见图 4 及图 5 的应力分布），偏差高
2.1 形变场分布特征 达 112.5%。
图 3 的位移云图表明，8 mm 壁厚方腔在 101 kPa
（标准大气压）下呈现典型碗状变形模式，最大位移 应力/MPa
196.90
量为 1.665 mm 集中于侧板中心区域。该值较经典 177.20
薄板理论预测值 1.804 mm 降低约 7.7%，其差异本 157.50
137.80
质源于三维实体模型对实际工程边界的精确表征。 118.10
理论模型所假设的理想刚性固定条件，在实际焊接 98.43
78.74
接头中因热影响区材料软化导致弹性模量折减约 59.06
39.37
10%，边界约束刚度随之弱化，此效应被有限元仿 19.69
真通过焊缝区材料属性精准还原。同时，有限元求 12.61
解器基于 Mindlin-Reissner 中厚板理论 引入横向
[8]
图 4 壁厚 8 mm 的应力云图
剪切模量修正，以具体计算并考虑厚度方向剪切变
Fig. 4 Stress nephogram with a wall thick of 8 mm
形带来的能量影响。更深入的结构耦合机制在于：

侧板与封头连接处的曲率连续性诱发面内薄膜应
200
力重分布，泊松效应进一步抑制弯曲变形，该三维 180 应力
协同作用无法被二维简化理论捕捉。 160

位移量/mm 140
1.665 应力/MPa 120
1.499
1.332 100
1.166 80
9.993×10 −1 60
8.327×10 −1
6.662×10 −1 40 1 2 3 4 5 6 7
4.996×10 −1 点位
3.331×10 −1
1.665×10 −1 图 5 壁厚 8 mm 关键点位应力演化曲线图
1.000×10 −30
Fig. 5 Stress evolution curve of key points with a wall
thickness of 8 mm

图 3 壁厚 8 mm 的位移云图 这一显著差异源于二维简化理论的固有局
Fig. 3 Displacement nephogram with a wall thickness of 8 mm 限：理论计算将各侧板视为独立受弯单元，忽略相