Page 24 - 《真空与低温》2026年第1期

苏玉磊等：立方形真空容器壁厚设计校核与透射界面设计 21

邻板件的协同约束作用。有限元分析表明，外压载 相比于 8 mm 壁厚的仿真值，位移量和应力峰值均
荷下侧板中心区域形成双轴压缩应力状态，其 X 向 下降 30% 以上，显著提高了结构的疲劳设计裕度。
与 Y 向应力分量近似相等，泊松效应诱发的面内应 因此，10 mm 壁厚方案的抗变形能力呈现出显著提
[4]
变协调机制 显著削弱弯曲应力贡献。更为关键 升。这一现象与理论预期高度吻合：根据薄板弯曲
的是，封头与侧板在三维连续体中的曲率连续性促 刚度公式，壁厚增加将显著抑制整体变形。在此基
使应力峰值向边缘迁移，该结构整体刚度贡献无法 础上，需综合评估有效容积衰减率与经济性指标，
通过传统线性叠加准则描述 。上述机制在拐角焊 以确定壁厚方案的工程最优解。
[5]
缝交界处表现得尤为突出，导致了理论模型的失效。
位移量/mm
仿真捕捉到焊缝交界处存在 196.9 MPa 的局 8.464×10 −1
部应力峰值，相比理论最大总应力高出 11.6%，虽 7.618×10 −1
6.771×10 −1
未达到材料屈服强度（205 MPa），但已存在隐患。 5.925×10 −1
此现象本质是三维不连续性诱导的静水应力 [11] 集 5.079×10 −1
4.232×10 −1
中：封头-侧板焊接接头形成三向约束体系，外压下 3.386×10 −1
侧板的收缩变形与封头的横向位移产生协调，激发 2.539×10 −1
1.693×10 −1
面外弯矩并改变应力属性，使理论预设的纯压区逆 8.464×10 −2
转为高拉应力危险区。该发现对非圆容器设计具 1.000×10 −30
[2]
有指导意义：基于 GB/T 150.3 的线性模型 虽可保
守保障整体强度，但必须独立执行拐角疲劳寿命评
估，结合规范的塑性应变判据构建局部强化策略。 图 6 壁厚 10 mm 的位移云图
2.3 10 mm 壁厚方腔对比设计 Fig. 6 Displacement nephogram with a wall
为科学评估设计裕度对结构安全性的增益效 thickness of 10 mm

应，本研究同步建立 10 mm 壁厚方腔的仿真模型。 应力/MPa
参照设计的必要性源于三重工程考量：首先，真空 122.40
110.20
容器在激光冲击、温度骤变等极端工况下可能承 97.92
受超设计载荷，需量化增厚方案的承载潜力；其次， 85.68
73.44
拐角应力集中现象揭示的 196.9 MPa 峰值虽未超 61.20
48.96
限，却逼近材料屈服强度阈值，需探明厚度对局部 36.72
应力梯度的抑制机制；最后，成本模型要求验证成 24.48
12.24
本非线性增长引发的成本跃变，为工程决策提供量 8.985×10 −7
化支撑。
图 7 壁厚 10 mm 的应力云图
通过保持相同边界条件与外压载荷，10 mm 模
Fig. 7 Stress nephogram with a wall thickness of 10 mm
型将揭示壁厚增量如何重构应力传递路径：理论上，

3
厚度提升 25% 可使弯曲刚度增长 95%（D ∝t ），显 140 应力
著弱化泊松效应对应力状态的干扰。如图 6、图 7
120
所示。
图 6 和图 7 分别为 10 mm 壁厚方案的位移云 100
图与应力云图仿真结果。其中，图 7 的应力云图直 应力/MPa 80
观展示了容器在外压下的整体应力分布规律，可以 60
观察到应力在侧板中部区域较为均匀，而在与封头
40
连接的焊缝拐角处呈现明显的局部集中现象。为
精确量化关键位置的应力水平，本文绘制了图 8 所 20 1 2 3 4 5 6 7
示的关键点位应力演化曲线。 从图 6 可以看出， 点位
该方案下侧板中心最大位移量为 0.846 4 mm；结合 图 8 壁厚 10 mm 关键点位应力演化曲线
图 8 的量化分析可知，10 mm 壁厚的方腔拐角应力 Fig. 8 Stress evolution curve of key points for 10 mm
和中心应力峰值分别为 55.32 MPa 与 122.4 MPa。 wall thickness