玻璃金属封接真空集热管受力分析理论计算（仅供范文写作参考，图片省略）
杨会荣  贾志强 
皇明太阳能股份有限公司  山东德州  253000
摘要：对采用压封结构的玻璃金属封接真空太阳集热管封接应力进行了理论分析和计算。计算结果表明,可通过选择合适的支撑卡和一定长度的玻璃管达到玻璃金属封接真空集热管受力基本平衡的目的。
关键词：玻璃金属封接  受力分析  静态受力分析

1. 设计准则
1.1玻璃外管设计准则
 玻璃材料为典型的脆性材料，其抗拉能力低于抗剪能力，同时均低于抗压能力，所以全玻璃真空集热管断裂失效设计准则应该遵守最大拉应力准则。根据这一准则，脆性断裂的判据为：
σ1=σb      
相应的设计准则为：
σ1≤【σ】 
在上述公式中，【σ】=  σb /nb, σb为材料的强度极限；nb为相对应的安全因数；σ1为材料最大拉应力。
查阅«全玻璃真空太阳集热管»国家标准，硼硅玻璃3.3的抗张强度为35～100MPa，分布范围较宽，说明这种玻璃材料具有分散性。取值=σb 35 MPa；查阅«机械工程设计手册»对于脆性材料，取值范围为2.0～3.5，为确保设计的可靠性取值nb =3.0。
玻璃管判据1计算可得：【σ】=  35/3.0=11.7 MPa。因此在真空管设计计算中，相应的最大拉应力设计准则为
σ1≤【σ】=11.7 MPa
玻璃管判据2计算可得：【σ】=  100/2=50 MPa。因此在真空管设计计算中，相应的最大拉应力设计准则为
σ1≤【σ】=50MPa
普通玻璃管在加工过程中，多处存在划伤磨伤缺陷，因此宜采用玻璃管判据1。太阳能炊具采用玻璃金属封接真空集热管，管口玻璃划伤极少，可采用玻璃管判据2。
1.2不锈钢内管设计准则
     太阳能炊具玻璃金属封接真空集热管内管为外径101mm，壁厚1mm不锈钢管，外管为外径120mm，壁厚3mm的高硼硅3.3玻璃管，内外管在管口处采用压封玻璃金属封接。
玻璃金属真空集热管作为太阳能炊具吸热部件，温度最高可达到400℃。内管为不锈钢，许用应力随温度变化而变化。参考GB150-1998及GB/TB14976,材质为SUS304,材料0Cr18Ni9，许用应力随温度变化见下表。对应的安全因数可根据相关文献选择1-2.当温度在300℃时，许用应力为85 MPa；当温度在400℃时，许用应力为79 MPa
可知，不锈钢抗拉强度远大于玻璃的抗拉强度（11.7MPa）。集热管受力分析计算时，只考虑外管的受力，尤其是内管及内管盛装物品对外管管口的受力影响。
2.模型建立及受力分析
如下图1所示，真空管横向放置时， 内管重力作用下的受力分析可以简化A端（管口）固定，B端卡子支撑端有支撑的模型。
    
根据模型进行受力分析，可以建立相关计算公式。
内管承受大气压力以及自身重力、外界的支撑力。装满水时，承受水的压力，整体表现为拉应力，并对管口产生拉应力。
根据细长梁的相关公式，真空管内的最大弯曲正应力是最大剪切应力的上百倍。当长度2.1米时，σMAX/τMAX=105；当长度1.5米时，σMAX/τMAX=75。为此在计算过程中，仅考虑拉应力，可以忽略剪切应力的影响。
2. 正常情况下管口静态受力分析
正常情况下，一端简单支撑，另一端固定梁受力的经典分析认为，简支端受力RB在正常情况下为3qL/8。采用以上公式，对以下几种尺寸真空管的静态受力状况进行计算。如下表1所示：
表1：玻璃金属真空集热管，内管外径101mm，壁厚1mm，平放及倾斜角度45°管口抗拉应力分析数据
内管长度（m） 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
管口抗拉应力
（MPa） 平放 6 10 11 13 16 18 20 23
 倾角45° 8 14 16 19 22 25 29 32
内管长度（m） 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
管口抗拉应力
（MPa） 平放 26 29 32 35 38 42 46 50
 倾角45° 36 41 45 50 54 59 65 70
从表1可以看出，管口抗拉应力随着集热管内管长度增加而增加。根据玻璃管判据2，抗拉应力小于50MPa。平放时，长度2.5米在管口形成抗拉应力达到50MPa；倾斜角45°时，长度2.1米在管口形成抗拉应力达到50MPa。
由于玻璃是脆性材料，应力的离散性比较大，即使计算应力小于许用应力，如果加工过程中存在缺陷，实际应力会偏离计算结果。
参考文献：
1.殷志强、薛祖庆、贾铁鹰  全玻璃真空太阳集热管 GB/T 17049-2005
2. 化学工业出版社   机械工程设计手册
3.全国压力容器标技委   钢制压力容器(2003年修订）GB 150-1998
4.流体输送用不锈钢无缝钢管  GB14976-2002