一种采用凯夫拉纤维的低温容器支撑结构分析

1 引 言

由于低温容器储存的是120K以下的低温液体，如液氮、液氧、液氦等，其介质与周围环境存在巨大温差，为了保证低温液体较长时间的储存，必须对低温容器施加良好的绝热措施。传热的方式主要有对流、传导、辐射3种。对于高真空低温绝热容器而言，通过对其设置真空夹层、并对内外壁面抛光或喷涂低发射率的材料以及包裹真空多层等措施等可以大大降低对流和辐射造成的漏热，此时在总体漏热中，由于支撑结构造成的传导漏热将会占到很大一部分。除此之外，支撑结构还将承受设备运输、储存低温液体时的振动、冲击等作用，尤其对于空间用低温容器而言，其必须能够承受发射环境下巨大的加速度以及各种瞬时冲击和随机振动，这对于低温容器支撑结构的强度提出了巨大的要求。因此支撑结构是低温容器设计中的关键一环[1]。

凯夫拉纤维是美国杜邦公司所生产的一种芳纶纤维材料，具有超高强度、高模量、低热导率的同时还具有重量轻的优点，可在低温及常温下长期使用[2]。其性能如表1所示。

表1 凯夫拉及其它材料性能对比
Table 1 Comparison of performance between Kevlar and other materials

从表1可以看出，凯夫拉纤维的强度是不锈钢的4倍以上，是玻璃钢的10倍以上，而模量与不锈钢相当，是玻璃钢的5倍以上，密度只有不锈钢的1/5左右。同时热导率极低，在液氦温区只有玻璃钢的一半，因此在低温系统领域获得了广泛的应用。例如英国的詹姆斯-克拉克-麦克斯韦望远镜(JCMT)中就采用了凯夫拉纤维将1 mK的冷链悬吊在1 K的高温箱体上进行隔热安装(图1)，其漏热量仅为0.25 μW。同样，美国SABER红外探测器组件同样采用了凯夫拉纤维设计支撑机构，将漏热量从85 mW减小到了2 mW。同样，欧洲航天局的赫歇尔太空望远镜的低温300 mK子系统中，也采用了凯夫拉纤维进行悬吊支撑，并起到了良好的效果[3-4]。

图1 JCMT凯夫拉悬吊低温组件
Fig.1 Suspension parts of JCMT using Kevlar

图2所示为分别采用了2股及4股凯夫拉原丝合股成的绳索进行的力学拉伸试验，从实验结果来看，2股凯夫拉原丝合股的最大拉力达到了380 N，4股凯夫拉原丝合股的最大拉力达到了大约980 N，充分证明了其具有优越的力学性能。

图2 凯夫拉纤维测试工装及拉伸曲线
Fig.2 Test equipment and Tensile curve of Kevlar fiber

2 支撑结构设计及模型简化

凯夫拉纤维作为一种柔性材料，只能承受拉力而不能受压。因此在设计低温容器的支撑结构时，为限制被支撑件的所有自由度，必须在被支撑件的每一自由度上同时布置一对受力方向相反的绳索，同时在绳索上施加预紧力，以保证绳索能够始终处于张紧状态。对于采用柔性支撑的空间应用的杜瓦而言，其典型的支撑结构布置为“V”字型布置[5-6]，如图3a所示。这种结构能够使绳索承受来自轴向、径向和切向的载荷，充分利用了其抗拉强度高的优点。在此基础上设计了一套考察支撑结构性能的实验结构，如图3b所示。由于所设计的支撑结构内胆及外罩均为圆筒形，在进行分析时将杜瓦内胆简化为空心圆柱体，绳索简化为只能受拉的线型结构，将杜瓦外真空罩视为固定结构，在分析时不予考虑。经过简化后，可得其计算模型，如图4所示。

图3 “V”字型支撑及实验支撑结构
Fig.3 The“V” type support and experimental support structure

图4 杜瓦支撑简化模型
Fig.4 Simplified model of support structure

3 模拟分析

对于航天用杜瓦而言，其支撑结构应当能够承受复杂的发射环境。因此应当具有良好的抗振性能，这包括较高的固有频率，以及在低频简谐振动和高频随机振动条件下系统较小的位移、应力和加速度响应值。由于进行实验本身成本较高，且周期较长，因此采用软件进行提前分析以提高设计效率及降低设计成本。采用Ansys workbench平台对计算模型进行网格划分和力学性能分析。模型参数如下：凯夫拉绳索采用link180单元；杜瓦结构采用solid186单元；绳索与杜瓦接触部分采用CONTA175与TARGE170单元。对模型室温端施加固定约束，从X、Y、Z三个方向施加载荷。模型共划分171650个节点。

3.1 模态分析

提取结构的前10阶固有频率，如表2所示，前6阶振型如图5所示。

表2 结构前10阶固有频率
Table 2 The first 10 nature frequencies of structure

从结果来看，从固有频率上来看，结构的一阶固有频率为248.5 Hz，远高于航天器组件固有频率100 Hz的最低要求。其中1—2阶振型表现为杜瓦沿X轴或Y轴的旋转，4—5阶振型表现为杜瓦沿X轴或Y轴的平移，而3阶振型表现为杜瓦沿Z轴的旋转，6阶振型则表现为杜瓦沿Z轴的上下运动。由于支撑结构的高度对称性，导致其1—2阶固有频率基本一致，4—5阶固有频率基本一致。

3.2 谐响应分析

谐响应分析主要用于确定结构在承受低频(低于100 Hz)简谐激励时的稳态响应值是否超出要求，包括位移、应力等，以检验结构在低频下的抗振性能。低频振动条件如表3所示。

图5 模型的前六阶振型
Fig.5 The first six mode of model

表3 正弦扫描量级
Table 3 Magnitude of sine sweep

图6所示为结构的位移和应力的稳态响应曲线，从响应结果来看，系统在X、Y、Z三向的最大变形别为5.823 mm、11.601 mm和13.609 mm，除去刚体位移5.82 mm、11.6 mm以及13.6 mm外，最大变形量可以忽略不计。由于Z向正弦输入条件更为苛刻，从结果来看，此时结构的最大应力18.6 MPa，位于杜瓦与绳索位置接触处，结构强度能够满足要求。因此，结构在低频(100 Hz以下)的简谐激励下是安全稳定的。

图6 结构位移和应力的稳态响应曲线
Fig.6 Steady state response of displacement and stress of structure

3.3 随机振动分析

表4所示为随机振动分析的输入条件，随机振动的激励载荷有加速度功率谱密度，速度功率谱密度、位移功率谱密度等，功率谱密度函数是随机变量自相关函数的频域描述，能够反应随机载荷的频率成分。本次模拟中采用加速度功率谱密度作为输入的激励条件[7]。

表4 加速度功率谱密度
Table 4 Acceleration power spectral density

表5所示为结构在随机载荷下提取的关键节点3-σ最大应力值，从结果来看，系统最大应力为在X方向激励下产生的应力为271.64 MPa，此结果出现的概率小于99.7%，其远小于不锈钢的强度极限，因此完全能够满足应用要求。

表5 关键节点3-σ应力值
Table 5 3-σ stress of key point

图7所示为提取结构关键节点的三向加速度响应谱曲线，从图上可以看出，加速度响应的峰值频率出现在250 Hz与420 Hz附近，在1 900 Hz左右有一次小的峰值。这与通过模态分析所得的固有频率基本一致，结构在此频率附近将发生共振。其中3个方向的加速度响应均方根值分别为Z轴方向43.476 g，Y轴方向为56.939 g，X轴方向为43.929 g，加速度响应的放大倍数分别为3.45、4.51、3.48，均小于10倍，即在随机载荷激励下，结构的动态强度能够满足要求。

图7 加速度响应谱
Fig.7 Response spectrum of acceleration

4 结 论

针对某航天用的小型杜瓦采用了一种具有超高模量和强度以及超低热导率和密度的凯夫拉纤维作为支撑材料，并进行了力学拉伸试验，验证了其优越的抗拉性能。并在此基础上设计了一种用于用于支撑实验的结构，对其进行了模态、谐响应以及随机振动条分析。通过分析证明了此种结构能够满足使用要求，这位下一步进行的力学性能验证实验提供了依据，也为今后此类杜瓦的支撑结构设计提供了一种新的思路。