（机械设计及理论专业论文）bcc线圈及其支撑结构的分析与研究.pdf

b c c 线圈及支撑结构的分析与研究 摘要 能源短缺问题是当今社会所要解决的一个至关重要的问题。而聚变能是人 类解决未来能源危机的希望。国际热核聚变实验堆( i t e r ) 是研制一个可以自 持燃烧的托卡马克核聚变实验堆，用来验证热核聚变反应堆的工程可行性和可 靠性，对实际应用核聚变能时所需要的各种要素进行试验。 b o t t o mc o r r e c t i o nc o i l s ( b c c 线圈) 是i t e r 超导磁体中校正场系统的一 个重要组成部分，本论文主要研究校正场线圈中b c c 线圈( b o t t o mc o r r e c t i o n c o i l s ) 及其支撑结构。首先通过c a t i a 软件介绍零件的实体模型，然后利用 有限元分析软件a n s y s 对线圈结构进行磁结构的耦合分析，对分析结果进行 应力线性化分析，从而对b c c 线圈结构进行应力评定。并且对线圈进行局部改 进，减小线圈所受的最大应力，提高线圈的使用寿命。最后对线圈结构进行模 态分析，得出了b c c 线圈前1 0 阶的固有频率，为其设计与制造提供一定的参 考。 关键词：b o t t o m 线圈：磁一结构耦合；应力线性化；局部改进；模态分析 a n a l y s i sa n ds t u d yo fb o t t o mc o r r e c t i o nc o i l s a n ds u p p o r ts t r u c t u r e a b s t r a c t e n e r g ys h o r t a g ep r o b l e mi s ac r i t i c a li s s u et ob ea d d r e s s e di nt o d a y ss o c i e t y a n d f u s i o ne n e r g yi st h eh o p eo fm a n k i n dt os o l v et h ee n e r g yc r i s i so ff u t u r e i t e ri st o d e v e l o pa ne x p e r i m e n t a lt o k a m a kf u s i o nr e a c t o rw h i c hc a nb es e l f - s u s t a i n i n gc o m b u s t i o n ， u s e dt ov e r i f yt h ee n g i n e e r i n gf e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e r m o n u c l e a rf u s i o nr e a c t o r , a n dt ot e s tt h ev a r i o u se l e m e n t sr e q u i r e dw h e nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ff u s i o ne n e r g y b o t t o mc o r r e c t i o nc o i l si sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ec o r r e c t i o nf i e l d s y s t e m w h i c hi nt h ei t e rs u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t s i nt h i sp a p e r , m a j o r s t u d yt h eb c c c o i l sa n d i t ss u p p o r t i n gs t r u c t u r eo ft h ec o r r e c t i o nc o i l s f i r s t ，t h es o l i dm o d e li sc r e a t e db yc a t i a s e c o n d ，t h em a g n e t i c s t r u c t u r a la n a l y s i so ft h ec o i li ss o l v e db yf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sa l s os h o u l db ea n a l y z e db ys t r e s s l i n e a r i z a t i o n a n dt h u st h eb o n o me o i lm u s tb ea s s e s s e d i na d d i t i o n ，i m p r o v et h ep a r t o ft h ec o i l ，r e d u c et h em a x i m u ms t r e s so ft h ec o i ls u f f e r e d ，a n de n h a n c et h el i f eo ft h e c o i l a tl a s t ，m o d a la n a l y s i so ft h ec o i li sc o n d u c t e d ，n a t u r a lf r e q u e n c yo ft h et o p10b a n d s o ft h eb c cc o i l si so b t a i n e d ，p r o v i d ear e f e r e n c ef o ri t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：b o t t o mc o r r e c t i o nc o i l s ；m a g n e t i c s t r u c t u r a lc o u p l i n g ：s t r e s s l i n e a r i z a t i o n ；l o c a li m p r o v e m e n t ；m o d a la n a l y s i s 图目录 图2 1校正场线圈分布图6 图2 2b c c 线圈整体示意图6 图2 3导体截面尺寸图8 图2 4 超导绕组排列8 图2 5超导绕组外形8 图2 6超导绕组结构示意图9 图2 7b c c 线圈截面示意图9 图2 8线圈盒结构图10 图2 9支撑相对位置图1 0 图2 1 0支撑结构示意图1 1 图2 1 1b c c 线圈整体结构示意图1 2 图3 1 有限元分析流程图。1 6 图3 2磁结构耦合分析间接法流程图1 7 图3 3磁结构耦合分析物理环境法流程图1 7 图3 4电磁分析模型图2 0 图3 5磁场力分布图2 1 图3 6内部超导磁体2 2 图3 7中间绝缘层2 2 图3 8外部线圈盒。2 2 图3 9 支撑相对位置2 3 图3 1 0支撑坐标系位置关系示意图2 3 图3 1 1内弧支撑模型2 4 图3 12外弧支撑模型2 4 图3 1 3直线段支撑模型2 4 图3 1 4b c c 线圈的整体结构模型2 5 图3 1 5b c c 线圈与t f 线圈连接图2 6 图3 16t f 变形图2 7 图3 1 7支撑位置编号2 8 图3 1 8电磁力加载结果分布图2 8 图3 1 9 内部超导绕组应力变形图2 9 图3 2 0中间绝缘层应力变形图2 9 图3 2 l线圈盒应力变形图2 9 图3 2 2支撑绝缘层应力变形图2 9 图3 - 2 3支撑应力变形图2 9 图4 - 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 一1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 沿着厚度截面的应力线性化图解3 4 危险处应力路径3 7 路径一内表面3 8 路径一外表面3 8 路径二内表面3 9 路径二外表面3 9 2 5 r a m 厚线圈盒变形图4 1 支撑加长后线圈盒受力图4 1 支撑减短后线圈盒受力图4 1 内弧支撑相对位置改变后线圈盒受力图4 2 各阶固有频率4 5 一阶模态振型4 5 二阶模态振型4 5 三阶模态振型4 6 四阶模态振型4 6 五阶模态振型4 6 六阶模态振型4 6 表目录 表3 12 9 9 sp f 线圈电流值( k a ) 2 l 表3 2 2 9 9 sc s 线圈、等离子体电流值( k a ) 2 1 表3 3绝对坐标尺寸2 2 表3 4 支撑的坐标位置2 3 表3 5超导绕组等效材料性能2 5 表3 63 1 6 l n 及绝缘体材料性能2 6 表3 7 支撑位移值2 7 表4 1应力校核准则3 2 表4 2危险截面处薄膜应力及薄膜应力+ 弯曲应力最大值4 0 表5 1各阶固有频率及振动特征4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者始、叶耸饵 签字日期：劢叩，年伊月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金理王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阅。本人授 权佥魍王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 始、叶牟竿 签字日期：力承年够月劭归 学位论文作者毕业后去向； 。 工作单位：兹殇附艘侉 蜘龇：姚防脚 李 导师签名： 伽p 签字日期：训f ( ) 年中月砷日 电话：以d 功2 7 2 乙 、争蝴：吁1 致谢 本论文是在刘正士教授的精心指导下完成的。三年来，我在选题、理论以 及研究等方面取得的成绩都倾注了刘老师的心血，刘老师不仅为我创造了良好 的条件，而且为我在打开思路、方向引导等方面都给予很大的帮助，刘老师是 一位令我和同学都非常敬佩和爱戴的导师，他知识渊博、为人正直平和，他那 严谨的学术态度，不仅在学习上给我以无私的教诲，而且对我的学术态度也有 着深远的影响，使我终生受益。为此向刘老师致以最衷心的感谢和崇高的敬意! 在学习和论文完成过程中，陈恩伟副教授教会我许多知识和技能，使我能 够很快的进入状态，陈老师一直对我悉心地指导，在此对陈老师表示衷心的感 谢。还要感谢中国科学院等离子体研究所的宋云涛研究员、吴维越研究员、杜 世俊研究员、曾文彬、刘万远、杜双松等在百忙之中给予的无私的指导和帮助， 在此表示最诚挚的感谢! 感谢实验室王慧、汪家慰、胡修稳、吴成业、徐磊、程旺、王娟娟等同学 对我的关怀和帮助，在这些同窗的身上，我学到了很多为人处事的优秀品质， 这是我人生的一大财富，再次向他们表示衷心的感谢! 感谢我的父母和亲人，在这么多年的求学生涯中，是你们给予了我无微不 至的关怀，在我犹豫时始终给予我足够的宽容和理解，在我疲惫时始终给我最 坚实的支持，在我固执时始终给我最大限度的自由，让我能够按照自己的方向 勇往直前。再次感谢父母和亲人给予我的爱，我要把你们的爱放在内心最深处， 我相信她会陪我到永远。 作者：叶华华 2 0 1 0 年0 4 月 第一章绪论 1 1 课题的研究目的与背景 石油资源的蕴藏量不是无限的，地球上容易开采和利用的储量一直在减少， 剩余的石油储量越来越难以开发，到一定程度就会失去继续开采的价值，在一 代人的时间内石油资源将会枯竭。当今世界，能源消费以石油为主导，如果能 源消费结构一成不变，则会发生能源危机。煤炭资源虽然比石油多，但也有用 尽的天。除了煤炭之外，其他代替石油的能源资源，能够被大规模利用的还 很少。太阳能虽然用之不竭，但代价高，代入的时间内不可能迅猛发展和广 泛应用，其他新能源也是如此。 因此，非再生矿物能源资源枯竭可能带来的危机越来越严重，人类必须充 分认识到这个问题，从而将注意力转移到新的能源结构上，尽早探索、开发利 用新能源。否则，人类就可能因为向大自然索取过多而造成严重的后果，以至 威胁到人类自身的生存条件。 众所周知，气候不断变暖和能源短缺问题要求我们必须改变能源的生产及 消费方式，大力发展可再生能源是克服能源危机的出路，用可再生能源和原料 全面取代生化资源，这是一场新的工业革命。因此在地球上构建一个“人造太 阳”，这是参与此项目的欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度的共同 梦想。 因此，7 方代表经过4 年多的谈判，于2 0 0 6 年1 1 月2 1 日在法国正式签署 了该计划的联合实施协定，这个人类未来3 0 年内旨在开发新能源，规模最大的 科研项目进入正式实施阶段，而这个简称为i t e r 的项目，也成为了历史上总 投入仅次于国际空间站的第二大国际科技合作项目。 1 2 国际热核聚变实验堆i t e r 结构介绍 国际热核聚变实验堆i t e r ( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a re x p e r i m e n t a l r e a c t o r ) 是一项正在研究的大型国际合作项目，目的是研制一个可以自持燃烧 的托卡马克核聚变实验堆，用来验证热核聚变反应堆的工程可行性和可靠性， 对实际应用核聚变能时所需要的各种要素进行试验【1 1 。 i t e r 主机的结构如图1 一l 所示，主要由超导磁体系统、内外冷屏、外真空 杜瓦、真空室及其内部部件和磁体馈线系统等部件组成的。 超导磁体系统，主要由1 8 个纵向场( t o r o i d a lf i e l d ) 磁体线圈、1 个中心 磁体螺管( c e n t r a ls o l e n o i d ) 线圈、6 个极向场( p o l o i d a lf i e l d ) 磁体线圈和1 8 个校 正场线圈( c o r r e c t i o nc o i l s ) 组成，它们共同作用，用于约束和控制真空室内 部等离子体稳定运行所需要的磁场环境。 幽i li t e r 超导托卡马克装置 内、外冷屏，主要是用于减少内外环境对超导磁体系统的热负荷，用来维 持超导磁体运行所必需的低温环境。 外真空杜瓦，是主机的主要承载部件，通过主机的支撑结构承受着装置各 大部件施加载荷，并提供超导磁体系统所必须的真空环境。 真空室，为热核反应提供了一个超高真空的特殊运行空闻。 馈线( f e e d e r ) 系统，根据相对于磁体终端位置的布置，分为底部区域馈线 及顶部馈线，是为了确保i t e r 能够正常运行，而专门设置的独立供应系统， 主要完成向磁体系统传输电流、提供冷却和运行时进行测量控制诊断等任务。 1 3i t e r 发展历史和状况 i t e r 集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科研和技术成果，第一 次在地球上实现能与未来实用聚变堆相比拟的受控热核聚变实验堆，解决聚变 电站的核心问题。这是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步因此受到 各国政府及科技界的高度重视和支持。 已经过去十余年里，与建设i t e r 相关的技术研发已经基本完成，其中包 括以下项目：纵场模型线圈、中心螺管模型线圈、包层模块遥控操纵系统、真 空室原型段、偏滤器盒体、包层原型模块、偏滤器遥控操纵系统，以及i t e r 外围系统的研发：加热与电流驱动系统、等离子体控制技术、氚处理技术、加 料与抽气系统、诊断系统、电源系统等。为研发这些技术和系统，欧、苏、美、 r 四方各领域的专家经过十余年的共同努力，耗资十几亿美元。目前i t e r 的 建造技术已经基本成熟。 有关人士认为，i t e r 的工程设计有相当坚实的技术基础，完全有可能实现。 i t e r 计划还有一个重要任务就是检验各个部件在聚变环境下的性能，实现受损 部件方便更换、以及发展实时的大规模制氚技术。上述工作是设计与建造核聚 变反应堆所必须完成的任务，只能在i t e r 上进行。正如欧、日等专家们一致 的结论：i t e r 将验证聚变能的技术可行性。 “聚变- 裂变混合反应堆项目”于1 9 8 7 年正式成为我国“8 6 3 计划”，目的 2 一 一 黼 一 一 在于探索并利用核聚变反应的有效途径，其中主要包括一些与核聚变反应堆相 关技术的研发工作。2 0 0 0 年由于各种原因，“聚变裂变混合反应堆项目一被中 断，但核聚变反应堆设计以及反应堆材料和某些特殊反应堆技术的研发仍在继 续进行。 核聚变能的研究和应用对于每个国家来说都是必要的，但又是一个长期的、 高投入雨又离风险的项目。我国核聚变研究距离与发达国家还有存在很大差距， 必须经过多年的努力才能进入“实验堆”的建设和研发阶段。若是我国单独建 造实验堆，肯定会多花费十数年时间及上百亿资金，这使我国和发达国家之间 的差距会进一步拉大。因此，参加i t e r 计划，进行i t e r 的实验和建设，从而 更加全面掌握i t e r 的知识和技术，培养一大批与聚变工程相关的科研入才， 使我国聚变研究迈向新的高度。再配合我国国内一些基础研究、聚变反应堆的 一些相关技术的研究、聚变反应堆材料的研究等，则有可能在较短时间内，用 较小的投资就使我国核聚变能研发在整体上进入世界前列，为我国自主开发核 聚变示范电站奠定基础。 就规模和技术水平来说，我国核聚变能的研究与开发与欧、俄、美、日等 发达国家相比还存在着不小的差距，但是我们也有自己国家的特点，在技术和 人才等方面也为参加i t e r 计划做了充分的准备。这使得我们绝对有能力和技 术完成相关的i t e r 部件制造任务，为i t e r 计划做出应有的贡献，并有可能在 合作过程中全面掌握聚变实验堆的技术，达到我国参加i t e r 计划总的目的。 i t e r 本身就是当代各类高新技术的综合的产物，中国科研工作者长期参加 i t e r 的研究和建设工作，直接接触各类前沿技术，必将使我国的高新技术及相 应产业得到迅速的发展。事实上，参加i t e r 计划已开始对我国超导技术与相 关产业有了很大的推动作用。 参加i t e r 计划是我国聚变能研究的一个重大机遇，我国参与聚变研发的 主要目标，是促使核聚变能尽早在中国得以实现。因此参加i t e r 计划也只能 算是我国整体聚变能研发计划中的一个重要组成部分而已。国家将在参加i t e r 计划的同时开展与之配套的系列重要研发工作。我国将努力建造商业用途的 聚变堆，使核聚变能在不久的将来成为我国能源工程的主要组成部分， 1 4 课题研究的内容、目的和意义 超导磁体系统是i t e r 的一个重要组成部分，主要包括校正场线圈 ( c o r r e c t i o nc o i l s ) 、纵向场( t o r o i d a lf i e l d ) 磁体线圈、极向场( f o l o i d a lf i e l d ) 磁体线圈、中心磁体螺管( c e n t r a ls o l e n o i d ) 线圈，结构如图i 2 所示【2 j ： 圈1 2 超导磁体系统结构分布图 圉1 3 校正场线圈的安装位置图 超导电缆是该系统的一个重要组成部分，主要功能是传递磁体系统所需的 工作电流，产生磁场后来约束等离子体的运动轨迹，最终实现在人工条件下控 制核聚变反应的目的。由于引线和接头之间的组装误差，绕组和线圈之间的装 配误差，会使得磁场形态发生变化，偏离规定的位形。而l8 组校正场线圈的功 能则是矫正各种误差，这1 8 组校正场线圈，分为3 组，分别为底部( b o t t o m ) 、 侧边( s i d e ) 和项部( t o p ) ，每组均有三个校正线圈，分按环形方向固定在装置 的p f 线圈和t f 线圈之间，如图1 3 所示， 为了实现磁场分布误差的补偿，必须分析校正场线圈对整个超导磁体系统 磁场所产生的影响，在强磁场中，校正场线圈工作过程中会受到较大的电磁力， 4 m w x f 因此必须对校正场线圈的结果进行分析，使得结构在强磁场中能够正常工作。 而b o t t o mc o r r e c t i o nc o i l s ( b c c 线圈) 作为校正场线圈的一个重要组成部分， 必须保证在校正场工作时b c c 线圈能够满足相关要求，保证整个装置的顺利运 行。所以有必要对b c c 线圈的结构进行分析和研究，以达到正常工作的目的。 本论文将主要研究b c c 线圈的结构特点，对b c c 线圈在具体工作条件下是否 满足要求等方面进行探讨。 1 5 本章小结 本章主要讲述了国际热核聚变实验堆i t e r 的相关情况，具体介绍了课题 来源以及论文所要达到的目的。本论文将通过了解i t e r 校正场线圈中b c c 线 圈( b o t t o mc o r r e c t i o nc o i l s ) 及其支撑结构，对b c c 线圈及其支撑的c a t i a 模型进行研究，再应用有限元分析软件a n s y s 对结构进行磁结构的耦合分析， 从而进一步对结构进行应力线性化分析，来对b c c 线圈结构进行评定。最后对 b c c 线圈进行模态分析，为后续的设计与分析提供参考。 第二章校正场b o t t o mc o r r e c t i o nc o i l s 结构介绍 2 1 引言 校正场线圈( c o r r e c t i o nc o i l s ) 系统是由1 8 组超导线圈组成，分为顶部线 圈( t o p c o r r e c t i o n c o i l s ) 、侧边线圈( s i d ec o r r e c t i o n c o i l s 、底部线圈( b o t t o m c o r r e c t i o nc o i l s ) ，每种线圈均为6 个，只体分布如图2 - 1 所示川： 图2 1 校正场线圈分布闰 这i8 组线圈兆同作用，主要负责矫正由于接头和引线的组装误差、线圈和 绕组的装配误差、受力后的变形误差、各零件的制造误差等误差所引起的磁场 形态偏离，棱下磁场形态，使其正常工作。 圈2 2b c c 线罔整体示意圈 校正场底部线圈( b o t t o m c o r r e c t i o nc o i l s 以下简称b c c ) 由内部超导绕组、 中问绝缘层，外部线圈盒以及外部支撑网部分组成，其中内部超导绕组包括层 间绝缘以及匝问绝缘，中间绝缘层包绕整个内部超导绕组，而外部线圈盒把包 绕了整个内部超导绕组的绝缘层置于线圈盒中。 最后，外部支撑的作用则是保证线圈的位置，起到约束和定位线圈的作用， 使线圈能够在磁场中正常运行。由于i t e r 内部线路管道密集，结构众多，因 此还必须考虑b c c 线圈的安装、拆卸以及是否和其他零部件产生干涉等一系列 问题。b c c 线圈大致结构图如图2 2 所示。 2 2 三维建模软件c a t i a 介绍 在校正场b c c 线圈的设计过程中，会使用三维建模软件c a t i a 来建模， 采用的是c a t i av 5 版本【4 。 c a t i a 是英文c o m p u t e ra i d e dt r i d i m e n s i o n a li n t e r f a c ea p p l i c a t i o n 的缩 写。由法国d a s s a u l t 公司开发的集c a d c a m ，c a e 于一体的优秀三维设计系统， 从1 9 8 2 年到1 9 8 8 年，c a t i a 相继发布了三个版本，并于1 9 9 3 年发布了功能 强大的第四版本，现在的c a t i a 软件分为v 4 版本和v 5 版本两个系列。v 4 版本应用于u n i x 平台，v 5 版本应用于u n i x 和w i n d o w s 两种平台。v 5 版 本的开发开始于1 9 9 4 年。为了使软件能够易学易用，d a s s a u l ts y s t e m 于9 4 年 开始重新开发全新的c a t i av 5 版本，新的v 5 版本界面更加友好，功能也日 趋强大，并且开创了c a d c a e c a m 软件的一种全新风格， c a t i av 5 版本围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计， 是世界上一种主流的c a d c a e c a m 一体化软件，广泛应用于航空航天、汽 车制造、造船、机械制造、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设 计与制造领域，其特有的d m u 电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着 企业竞争力和生产力的提高。可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程 的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能 够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设 计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用 和维护【5 】。 c a t i av 5 版本具有以下几个方面的优点： 1 重新构造的新一代体系结构； 2 支持不同应用层次的可扩充性； 3 与n t 和u n i x 硬件平台的独立性； 4 专用知识的捕捉和重复使用： 5 给现存客户平稳升级。 c a t i av 5 版本设计功能主要包括以下几个方面： 1 c a t i a 交互式工程绘图产品 2 c a t i a 实时渲染产品 3 c a t i a 线架和曲面产品 4 c a t i a 创成式工程绘图产品 7 5c a t i a 零件设计产品 6c a t l a 装配设计产品 8 c a t i a 知识工程专家产品 本文中主要使用c a t i a v 5 版本中的零件设计、装配设计等设计功能来对 校正场b c c 线圈进行零件建模及装配。 2 3 校正场b o t t o mc o r r e c t i o nc o i l s 结构 2 3 1 内部超导绕组 校正场b c c 线圈中的内部超导绕组部分采用的是c i c c 导体( c a b l e - i n - c o n d u i t c o n d u c t o r ) 。导体的超导股线是由n b t i c u 多丝扭绞复合而成，是将 超导纤维n b t i 线与具有良好柔韧性及强度的导电金属c u 分四季绞制，穿入 3 1 6 l n 不锈钢方管中1 6 - 7 。c i c c 导体截面尺寸及其结构如图2 3 所示( 单位： m m ) 。 内部超导绕组采用单根长导体通过大型绕线机绕制而成，以8 x 4 的矩阵形 式排歹4 ，总共由3 2 匝c i c c 导体组成( 如图2 - 4 所示) ，并通过绕线机绕制成 6 0 。矩阵排列形式的扇形结构，扇形结构圆心与内外弧度的圆心不一致，室温下 沿线圈对称轴向线圈方向偏移3 0 7 m m ( 如图2 - 5 所示) 。在第三级子缆完成后， 用o 0 5 m m 厚的不锈钢箔对其实施7 0 花包。由于b c c 线圈是在变化的磁场环 境中运行，因此，为了有效降低股间的耦合损耗，在c i c c 导体中的所有股线 表面镀上2 p m 厚的镍。而且在每匝导体之间布有0l m m 厚的匝间绝缘，在每 层导体之间布有0 6 r a m 厚的层间绝缘( 如图2 - 4 所示) ，并且为保护超导缆在 焊装不锈钢套管时不受损伤，最后一级超导缆还需用0 0 8 r a m * 2 不锈钢带3 5 迭包。 图2 3 导体截面尺寸图 图2 4 超导绕组排列 圈2 5 超导绕组外形 根据以上叙述使用c a t i a v 5 建立模型，在接线区域将会出现额外的一段 引入线及一段引出线。b c c 线圈超导绕组绕制时从项层开始往内绕，然后往下 再往外层层渐行。整个超导绕组部分在制造过程中径向及纵向的最大允许误差 为2 0 r a m 。由于b c c 线圈是在超低温下工作。因此，其采用的是超l 临界4 k 氦迫流冷却方式i x - 9 。超导绕组结构如图2 - 6 所示： 幽2 6 超导绕组结构示意图 232 中间绝缘层和外部线圈盒结构 b c c 线圈的超导绕组在工作时会通上电流，所以为了绝缘，在超导绕组的 外面包绕一层8 m m 厚的对地绝缘层，是通过在每两个02 5 r a m 厚的薄玻璃丝布 中央一层00 5 m m 厚的聚酰亚胺膜堆叠包夹至8 m m 厚然后压制而成。线圈的绝 缘层不仅要提供趣好的绝缘性能，而且还要柏足够的抗剪能力和一定的耐压能 力。 当绝缘层包绕整个超导绕组后，就需要将整个结构放在外部线圈盒中并经 过焊接密封从而形成整个线圈，线圈盒所用材料为3 1 6 l n ，外盒外壁宽为 1 4 23 m m ，厚度为2 0 m m ，盒外壁高为2 3 26 m m ，具体尺寸如隔2 7 所示： 图2 7b c c 线圈截面示意图 根据以上叙述使用c a t i a v 5 建立模型，不锈钢线圈盒主要包括接线区以 及盒体部分，在接线区开有导线引入引 b 槽，并钻有进行氦迫流冷却需要的导 管孔。线圈盒结构如图2 - 8 所示： 9 ， 寻姥孔 创2 8 线圈盒结构图 2 33 支撑结构 和校正场b c c 线圈连接的支撑，主要起着约束和定位的作用。台理的设计 支撵能够保证b c c 线圈的位置精度，从而使线圈正常工作，能够获得满足要求 的磁场位形。 b c c 线圈位于纵场线圈下部，在极向场线圈p f 5 线圈与p f 6 线圈之间，如 图l - 2 所示。由于b c c 线圈是通过支撑结构连接在t f 线圈盒上的t f 线圈盒 上的变形会对b c c 线圈产生连带的影响，所以必须尽量减小这种连带影响。因 此可以考虑在t f 线圈盒与支撑之间加上弹性结构，给以一定的缓冲。 又由于处于强磁场及低温的环境中工作，b c c 线圈将受到较大的电磁力以 及由于降温引起的收缩力作用。因此，支撑首先必须满足一定的强度要求，从 而保证线圈位置不发生变动，发挥出应有的补偿作用最后必须保证b c c 线圈 满足安全，不易损坏等要求。 ”* ，十i 描乜i 刚 垂_ i j ；i | 蛳 厂一“ 自* ，十 4 t l 瑚2 - 9 支撑相对位置图 b c c 线圈支撑的材料为3 1 6 l n 不锈钢，有三种共8 个支撑。其中线圈盒 的外弧和内弧上各三个，各自长度约占内、外弧的7 。而在线圈两侧直线段上 各分布一个支撑，长度约为7 0 0 r a m ，相对位置如图2 - 9 所示。在所有支撑上都 联接有一块支撑板，通过螺栓联接紧崮定在t f 线圈盒上，来达到最终的装备 盘固定作用。 根据以上叙述使用c a t i a v 5 建立模型，由于b c c 线圈的形状不规则，支 捧的位置分布影响到电磁力作用下线圈的变形及应力情况，而且各处受约束的 情况也有所区别在把b c c 线圈安装在t f 线圈上时，支撑所固定的位置也不 一样，固定形式也不相同，因此需要进行进一步的分析，并同时兼顾整体结 构的装配，为很好的安装b c c 线圈，外弧、内弧以及直线段上的支撑结构均不 相同，初步定为b c c 线圈内外弧上的6 个支撑的中线分别与其跨过的3 个t f 线圈的中线相对应，直线段上的两个支撑的中线则与直线段的中线相对应。联 接方式均采用螺栓连接”，具体结构如图2 一1 0 所示。 内孤支撑外弧支撑直线段支撑。 图2 1 0 支撑结构示意图 2 3 4b c c 线圈整体装配 晟后运用虚拟装配，来模拟b c c 线圈的大致装配流程。b c c 线圈的大致 装配流程为首先对线圈内部的超导绕组部分进行绕制，然后包上中间的绝缘层， 再放入线圈盒后进行焊接密封，晟后装上支撑部分，这样就可把整个b c c 线圈 安装在t f 线圈上了。 虚拟装配是利用虚拟装配技术，在计算机上将三维模型装配到一起，这样 可避免物理原型的应用，也可对零部件进行间隙和干涉检验，减少样品差错率。 虚拟装配技术是根据产品的形状特点、精度特性真实的模拟产品三维装配过程 并且以交互方式控制产品三维模型的装配过程。虚拟装配能在产品设计过程中 利用各种技术手段如分析、评价、仿真等，并充分考虑产品的装配环节及其相 关过程中各种可能因素的影喊使得装配人员在对虚拟模型进行装配的过程中 就可检验产品设计是否台理、是否方便装配和维修，在设计阶段就可验证和改 进产品，并根据需要提取模型参数，给出评价和分析结果，在满足产品性能与 功能的条件下改进产品的装配结构，使设计出的产品不但可以装配，并尽可能 降低装配成本和产品总成本，大大缩短设计周期。所以，产品的虚拟装配过程 对整个产品的设计开发具有非常重要实际意义。 根据b c c 线圈的结构特点，以及装配体中零件的物理结构和功能特性来决 定产品的装配顺序。b c c 线圈的结构参数均由中科院等立体研究所提供，b c c 线圈的整体结构装配后模型如图2 - 1 l 所示： 直线段 图2 1 ib c c 线圈整体结构示意图 完成装配后，就可对b c c 线圈整体模型进行干涉和碰撞检验，并根据具体 情况对零件之间的具体情况进行设计修改，调整结构各部分的尺寸，完善所有 零部件，最终完成b c c 线圈的结构设计。 2 4 本章小结 奉章重点介绍了i t e r 校正场b c c 线圈的结构，其结构包括内部超导绕组、 中间绝缘层、外部线圈盒以及支撑部分，通过三维设计软件c a t i a 形象的表 达了每个零件的实体模型，最后对所有零件模型进行虚拟装配，并介绍了b c c 线圈的基本制造流程为下一步的耦合分析、计算评定等工作做好了准备。 第三章i t e r 校正场b c c 线圈磁结构耦合分析 3 1 引言 在实际工程技术领域，存在许多力学问题和场问题，例如固体力学中的应 力应变场、传热学中的温度场、电磁学中的电磁场、流体力学中的流场以及涉 及多学科的耦合场等，这些问题的求解都可以看作是在一定的边界条件和初始 条件下求解其基本微分方程或微分方程组的问题。但由于控制微分方程组的复 杂性以及边界条件和初始条件的难以确定性，我们一般不能得到系统的精确解。 对于这类问题，一般需要采用各种数值计算方法获得满足工程需要的近似数值 解，这就是数值模拟技术。目前解决实际工程问题的主要数值方法包括两大类： 有限差分法和有限元法f l l l 。使用有限差分法，需要针对每一个节点写微分方程， 并且用差分方程代替导数，这一过程产生一组线性方程，求解该线性方程组便 可得到问题的近似数值解。有限差分法对于简单工程问题的求解时易于理解和 行之有效的，但是对于具有复杂几何条件和边界条件的实际工程问题就显得困 难了。有限元法假设代表每个元素的近似函数是连续的，假设元素问的边界是 连续的，通过结合各单独的解产生系统的完全解，因此适合于各类工程问题的 求解。本文就采用有限元法对结构进行研究和分析。参考文献【2 】和【6 】就b c c 线圈做了初步分析，确定了b c c 线圈的场强最大时刻，等效处理了超导绕组的 材料属性，并对支撑做了初步的分析，并未对支撑进行具体建模。本文对b c c 线圈的研究做了进一步深入，是对参考文献【2 】和【6 】研究的一个延续，引入了超 导绕组的材料属性以及场强最大时刻作为分析的条件，分析了场强最大时刻的 场强分布情况，并对b c c 线圈支撑部分进行了实体建模，从而进行磁结构耦 合分析，得到总应力的分布情况，并深入的对总应力进行应力线性化，更深一 步的验证了线圈的可靠性，并在最后对线圈做了动力学分析，得到了线圈的固 有频率和相关振型，给后续的设计与研究提供一定的参考。 3 2 有限元法介绍 有限元方法的基础是交分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域 划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择些合适的节点作为求解 函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选 用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程 离散求解【1 2 】。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。 有限元法的基本思想是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元 中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体， 同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一个近似值 函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方 程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题， 1 3 求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以致整个集合体上的 场函数。有限元离散过程中，相邻单元在同一节点上场变量相同达到连续，但 未必在单元边界上任一点连续，在把载荷转化为节点载荷的过程中，只是考虑 单元总体平衡，在单元内部和边界上不用保证每点都满足控制方程。 由于单元可以设计成不同的几何形状，因而可灵活地模拟和逼近复杂的求 解域。显然如果插值函数满足一定要求，随着单元数目的增加，解得精度会不 断提高而最终收敛于问题的精确解。虽然从理论上说，无限制地增加单元的数 目可以使数值分析的解最终收敛于问题的精确解，但是这却增加了计算机计算 所耗费的时间，在实际工程应用中，只要所得数据能够满足工程需要就足够了， 因此有限元分析方法的基本策略就是在分析的精度和分析的时问上找到一个最 佳的平衡点。 经过近几十年的发展，有限元方法的理论更为完善，应用也更为广泛，因 此对i t e r 校正场b c c 线圈可以采用有限元方法来进行分析，而国际上著名的 通用的有限性元分析软件有几十种，常用的就有a n s y s 、a b a q u s 、n a s t r a n 、 m a r k 、a l g o r 等，本文选用大型有限元分析软件a n s y s ，对b c c 线圈进行 计算分析。 3 。3 有限元分析软件a n s y s 介绍 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、国 防军工、航天航空、船舶、机械制造、核工业、石油化工、轻工、电子、日用 家电和生物医学等一般工业及科学研究工作。由世界上最大的有限元分析软件 公司之一的美国a n s y s 开发，自上个世纪六、七十年代以来，a n s y s 公司一 直致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，经过几十 年的不断发展，a n s y s 已经逐渐成为了以功能强大、用户使用方便、计算结果 可靠和效率高为主要特点的新的技术商品，成为了工程强有力的分析工具，从 而能够更好的帮助用户解决工程实际问题。a n s y s 能与多数c a d 软件接口， 实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r 、c a t i a 、a u t o c a d 等，是现代产品 设计中