Page 26 - 《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 23

σ b
弯强度 σ b = 120 MPa 。钢化玻璃在可见光波段 数 n 2 = 3.0，强度校核：许用应力 [σ] = = 40 MPa ；
[14]
n 2
2
（380~760 nm）的透光率可达 91% 以上，且表面硬度 0.5×0.1×150
最大弯曲应力： σ ；最大刚度校核（无
t
2
[15]
高（莫氏硬度≥6），耐刮擦性能优异 。然而，钢化 0.027 6×0.1×150 4
玻璃为脆性材料，设计需严格规避脆性断裂风险， 蠕变问题）： δ 70 000×t 3 。
[2]
依据 GB/T 150.3 对脆性材料的安全要求 ，取安全系

表 4 矩形薄板弯曲应力与挠度计算公式表
Tab. 4 Calculation formulas for bending stress and deflection of rectangular thin plates
力学指标 公式 参数说明
[7]
σ为弯曲应力，MPa； 为与板长宽比有关的系数，此处取 0.500 ；
2
最大弯曲应力 β 1 ∆pb [6] β 1
σ b 为矩形板短边长度，mm； ∆p为压差，MPa。
T 2
δ为中心挠度，mm；
最大中心挠度 α∆pb 4 [6] α为与板长宽比有关的系数，此处取 0.500 ；
[7]
δ
ET 3
E 为材料弹性模量。

计算结果结合 GB/T 9963 标准对公称厚度 [15] 的 松弛，导致抗冲击性能下降，同时循环载荷下的疲
要求可以得出板厚为 6 mm（该取值是基于严格的 劳寿命存在较大不确定性，可能带来潜在风险。
强度与刚度双重校核结果：首先，依据 GB/T 150.3 综上，亚克力板以系统性优势成为观察窗的理
对脆性材料的安全要求，采用 3.0 的高安全系数， 想选择。其力学特性完美适配密封界面的变形协
将许用应力设定为 40 MPa，确保了本质安全；其次， 调需求，通过塑性容错机制弥补制造装配误差；工

通过四边固定板模型计算，6 mm 厚度下的最大弯 艺灵活性显著提升设备功能拓展空间，支持非标光
曲应力与中心挠度均满足规范限值。此厚度亦是 学窗口的快速迭代；长期使用可靠性经蠕变模型验
GB/T 9963 标准中的常用公称规格，兼顾了材料可 证可满足十年设计寿命。因此，在兼顾密封可靠性、
获得性与经济性）。 光学稳定性及全周期经济性的设计框架下，亚克力
2.4.3 观察窗材料综合性能对比 方案为立方体压力容器提供了不可替代的功能适
亚克力板凭借优异的断裂韧性在真空密封场 配价值。
景中具有显著优势。其塑性变形能力可有效协调
3 结论与展望
密封界面的微观不平度，在长期外压载荷下通过蠕
本研究系统验证了立方形真空容器的结构可
变松弛机制 [14] 重新分布接触应力，避免局部泄漏
风险。相比之下，钢化玻璃虽具备更高的弹性模量 靠性，8 mm 厚 S30408 不锈钢主体在 0.1 MPa 外压
与抗弯强度，但脆性断裂特性导致其对微裂纹极度 下同步满足强度与刚度准则。理论模型因忽略相
敏感。真空环境下的循环载荷可能诱发玻璃内部 邻板件协同约束效应，导致侧板中心应力预测值较
缺陷扩展，且破坏过程无塑性预警，直接威胁密封 仿真实测值高出 112.5%，表明三维有限元仿真对非
完整性 。 圆微型容器设计的必要性。经济性分析进一步表
[16]
亚克力的热成型特性支持复杂曲面观察窗的 明，8 mm 方案较 10 mm 方案降低制造成本 27.7%，
一次成型，其切割开孔工艺简单，良品率高达 95% 为科研项目提供了兼具安全性与成本效率的载体。
[17]
以上，大幅降低定制成本 。尽管单板材料成本高 针对光学观测核心需求，亚克力观察窗展现出
于钢化玻璃，但综合加工效率与装配容差具有优势， 不可替代的优势：10 mm 设计值将长期挠度控制
[18]
全生命周期成本降低约 18% 。钢化玻璃的不可 在 0.94 mm 以内；而 6 mm 钢化玻璃虽满足瞬时强
逆加工特性导致任何尺寸修改均需重新钢化处理， 度指标，但脆性断裂模式在循环载荷下易诱发无预
良品率仅 70%~80%，且边缘微崩缺陷会显著加速 警失效，直接威胁真空密封完整性。二者对比表明，
[19]
疲劳失效 。 在长期载荷作用下，亚克力材料的蠕 亚克力的观察窗具有良好的光学透射稳定性。
变变形量经折减模量进行修正后仍可控；相比之下， 未来研究须聚焦两个方面：一是结合疲劳裂纹
钢化玻璃虽不存在蠕变现象，但其表面预应力逐渐 扩展试验深化研究拐角应力集中区的寿命预测模