（机械设计及理论专业论文）iter纵场磁体超导馈线系统线圈终端盒的设计与分析.pdf

摘要 捅要 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 lr e a c t o r ) 是一个建造可自持燃烧的超大型超导托卡马克核聚变实验堆的国际合作项目。其 中，线圈终端盒c t b ( c o i lt e r m i n a lb o x ) 作为i t e r 馈线系统的主要部件之一， 担负着为磁体馈线系统中的管、缆、线分别与低温车间、电源大厅以及数据收集 系统的相连提供接口和屏蔽保护的作用，它的结构设计和制造质量对于馈线系统、 乃至整个i t e r 装置能否正常运行，起着十分重要的作用。 本文首先简要介绍了世界及我国的聚变能研究情况、i t e r 计划及i t e r 主要 构成。其次根据工程和物理的要求，介绍了纵场磁体馈线系统的结构设计准则， 并完成了纵场磁体馈线系统c t b 相关重要部件的概念设计，主要包括盒体、内部 布管、真空隔断、泄爆阀、测压管、冷屏和一些内部辅助支撑等结构的初步设计， 设计涉及到机械结构、低温传热学、电磁学、真空及材料等多学科方面的知识。 接着详细论述了c t b 盒体、真空隔断以及内部支撑的结构设计，并根据纵场磁体 馈线系统的实际运行特点，采用有限元方法，对设计结构进行全面校核，获得相 应的应力分布云图及位移分布云图，且以此为依据确定或优化c t b 的结构。分析 结果表明外盒体、冷屏支撑和电流引线支撑的设计是合理可靠的。而由真空隔断 的结构分析可看出，冷却管收缩会导致真空隔断的底部应力超过许用值，为了减 小应力，在冷却管上加了一个弯管结构，目的是让它吸收一部分冷收缩变形，在 进一步的有限元分析中，也证明了这样的结构优化是合理有效的。真空隔断的设 计关键在于i a e k e t ，以增加传热路径的方式增加热阻，可减少外界对真空隔断内 部氦管的传导热和辐射热，真空隔断的热分析也进一步证明了j a c k e t 设计的可行 性。 本课题的研究结果对c t b 的研制奠定了技术基础，为i t e r 其余馈线上的c t b 的设计分析提供了经验，可使c t b 能尽早安全可靠地在i t e r 上运行。 图【8 0 】表【7 】参 6 0 】 关键词：i t e r ；c t b ；结构设计；有限元分析 中图分类号：t l 3 7 1 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 lr e a c t o r ( i t e r ) i sa l lu n p r e c e d e n t e d i n t e r n a t i o n a lc o l l a b o r a t i o np r o g r a m i t sa i mi st ob u i l dal a r g e - s c a l es u p e r c o n d u c t i n g t o k a m a k a so n ei m p o r t a n tp a r to fi t e rf e e d e rs y s t e m ，c o i lt e r m i n a lb o x ( c t b ) i s m a i n l yt oo f f e ra l li n t e r f a c ea n ds h i e l d i n gs a f e g u a r df o rt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nt h e d u c t s ，p i p e s ，l i n e so ft h em a g n e tf e e d e rs y s t e ma n dt h ec r y o - p l a n t ，t h ec u r r e n ts o u r c e h a l l ，t h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e mr e s p e c t i v e l y t h es t r u c t u r a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g q u a l i t yo fc t bw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no ft ff e e d e r ，a n dw h a ti sm o r e ， i tw i l la l s oa f f e c tt h er u n n i n go fl t e r f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h es t u d yc o n d i t i o no ff u s i o ne n e r g yh o m ea n da b r o a d ， 嬲w e l l 雒i t e rs c h e m ea n di t sm a i ns t r u c t u r e sb r i e f l y s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h e r e q u k e m e n t so f t h ep r o j e e t , t h et h e s i ss t a t e st h es t r u c t u r a ld e s i g nc r i t e r i o no ft ff e e d e r s y s t e m ，a n dc o n c e p t u a ld e s i g n sf o rs o m ei m p o r t a n tp a r t so ft ff e e d e rc t bh a sb e e n f i n i s h e d ，i n c l u d i n gt h ec h a m b e r ，i n t e r n a lp i p e s ，v a c u u mb a r r i e r , o v e r p r e s s u r er e l e a s e v a l v e ，p r e s s u r et a p i n g sf e e d t h r u , t h e r m a ls h i e l da n ds o m ei n t e r n a la u x i l i a r ys u p p o r t s t h ed e s i g nr e l a t e st ot h em e c h a n i s m ，c r y oc o n d u c t i o n , e l e c t r o m a g n e t i c s ，v a c u u m t h e o r y , “m a t e r i a l o g ya n dm a n yo t h e rs u b j e c t so fk n o w l e d g e t h i r d l y , t h es t r u c t u r a l & s i g no fc t bc h a m b e r v a c u u mb a r r i e ra n di n t e r n a ls u p p o r t sa r es t a t e si nd e t a i l a n d b a s e do nt h ea c t u a lo p e r a t i o nc o n d i t i o no ft ff e e d e rc t b ，as e r i e so fo v e r a l lc h e c ka r e c a r r i e do u tf o rt h ek e yp a r t s 谢t l lt h eh e l po ff e a t e c h n i q u e ，t h u st h ea c h i e v e dr e s u l t s o fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e t e r m i n a t i o n o rf u r t h e ro p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r e s t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h ed e s i g n sa b o u t c t bc h a m b e r , s u p p o r t sf o rt h e r m a ls h i e l da n dc u r r e n tl e a da 佗a l lr e a s o n a b l e a n d f r o mt h es t r u c t u r a la n a l y s i sf o rt h ev a c u u mb a r r i e r , w ec a ns e et h a tt h ec o n t r a c t i o no f c o o l i n gp i p e sw i l lr e s u l ti no v e r p r o o fs t r e s sa tt h eb o t t o mo ft h ev a c u u mb a r r i e r t o d e c r e a s et h es t r e s s ，al e n g t ho fb e n dp i p e si sa d d e dt ot h ec o o l i n gp i p e sf o ra b s o r b i n g c o l ds h o r t e n i n g ，w h i c hi sa l s op r o v e di nf u r t h e rf e a t h ek e yd e s i g no fv a c u u m b a r r i e ri sj a c k e t , b e c a u s ei tc a nc u td o w nt h ec o n d u c t i v eh e a ta n dr a d i a n th e a tf r o m o u t e re n v i r o n m e n tt ot h ei n t e r n a lh e l i u mt u b e sb yi n c r e a s i n gt h eh e a tt r a n s f e rr o u t e s t h et h e r m a la n a l y s i so fv a c u u mb a r r i e ra l s od e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ej a c k c t d e s i g n i i 摘要 t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h et h e s i sp r o v i d et h ef o u n d a t i o no fd e v e l o p i n gc t b ， s u p p l ye x p e r i e n c e sf o rt h ed e s i g n sa n da n a l y s e so f o t h e rf e e d e rc t b s ，a n sh e l pi t e r m a k et h eo p e r a t i o no fc t br e l i a b l e 鹤s o o na sp o s s i b l e f i g u r e 【8 0 】t a b l e 【7 】7r e f e r e n c e 【6 0 】 k e y w o r d s ：i t e r , c t b ，s t r u c t u r a ld e s i g n , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 引言 引言 随着科学技术和社会生产力的不断发展，能源显得越来越重要，人类也在不 断扩大能源的利用范围，这就导致世界能源消耗量越来越大。因此，摆在人类面 前一项紧迫的任务就是探索新能源，而聚变能由于其燃料来源充足、安全和环保 而成为备受青昧的理想能源。i t e r 的目的就是研制一个可以自持燃烧的托卡 马克核聚变实验堆，为和平、安全利用聚变能进行科学探索和研究。 作为大型超导磁体系统，i t e r 的磁体线圈与外围系统相距较远，因此 需要设置一个独立的超导磁体馈线系统( f e e d e r ) ，它的主要任务是向磁体系 统传输电流、提供冷却和运行时进行测量和控制诊断等。而f e e d e r 采购包是中 国承担i t e r 装置采购包工程中较大的一个项目，它涉及到3 5 套内馈线系 统、3 l 套过渡馈线系统和3 1 套线圈终端盒和结构冷却盒，以及杜瓦内部的 空间布置和支撑系统的设计、制造和安装。 本课题将研究纵场磁体馈线系统( t ff e e d e r ) 中的线圈终端盒c t b 的 结构设计，并做重要部件的相关分析，继而优化结构，以保证c t b 在初步 设计阶段中结构合理可靠，为其它馈线系统上的c t b 的设计分析提供经验， 使c t b 能尽早安全可靠地在i t e r 上运行。 目前馈线系统的设计国内外还没有现成的经验可循，国内尽管有中国 科学院等离子体物理研究所建造e a s t 超导托卡马克装置的成功经验，但 与i t e r 的设计指标和运行参数还有很大差距。国际上其他超导托卡马克装 置如德国的w 7 x 等，比起i t e r 装置最高额定电流和耐压值也都小得多。 所以对于i t e r 必须开展一些技术的研发和质量认证工作，这也正是本课题 的切入点和目的所在。 第l 章能源问题与i t e r 计划 1能源问题与i t e r 计划 1 1 世界能源发展趋势 能源是社会发展的基础，随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，对能 源的需求将越来越大。迄今为止，人类利用的能源一直以煤、石油、天然气等化 石类燃料为主。这类燃料的特点是形成周期长、储量有限，并且只能越用越少， 直至枯竭。此外，这种燃料在开采、运输、燃烧的过程中还会造成严重的生态破 坏和环境污染，如温室效应、酸雨等。因此，寻找一种供量充足、环境污染少的 长期能源成为二十一世纪最重要的战略课题之一。 可替代化石燃料能源有可再生能源、裂变能和聚变能。可再生能源，如太阳能、 风能等，它们虽然取之不尽、对环境的破坏小，但潜力有限。因为受地域和储能等 环节的限制，它们仅是对现有和未来洁净能源的补充，不能成为现代社会化石燃 料的替代能源。核裂变能是人类正在使用的一种较为清洁的能源，尽管它不会产 生c 0 2 、s 0 2 等污染物，但仍存在着装置运行的安全性、高放射性核废料的处理、 裂变资源有限( 地球上的储量也仅够维持数百年) 以及可能的军事应用等问题， 因此核裂变能也不是理想的未来能源。另一个选择是聚变能，它是替代能源中开 发最迟、也是最有希望成为替代化石燃料的能源。 聚变能成为备受青昧的理想能源，主要原因包括：一、燃料来源充足。聚变能 燃料为氢的同位素氘、氚及惰性气体3 h e ( 氦3 ) ，氘和氚在地球上蕴藏极其丰富， 每立方米海水中约含有3 0 克氘，而每克氘完全燃烧可产生相当于8 吨煤的能量。把 海水通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平，可供人类使用上亿年。 科学家们发现，以3 h e 为燃料的核聚变反应比氘、氚聚变更清洁、效益更高，而且 与放射性的氘、氚不同的是：3 h e 是一种惰性气体，操作安全。虽然地球上不存在 3 h e ，但月球上蕴藏着至少可供地球上使用7 0 0 年的3 h e 资源，木星和土星上的3 h e 也几乎是取之不尽的。二、安全。由于核聚变需要极高的温度，一旦某一环节出 现问题，燃料温度急剧下降，聚变反应就会自动中止，不会发生事故。三、环保。 聚变能几乎不会带来放射性核污染等环境问题。因此，聚变能是目前认识到的可 以最终解决人类能源和环境问题的最重要的途径之一【i 叫。 1 2 聚变能的研究睁n 】 多年来，世界各国都在致力于开发、利用聚变能。可控核聚变的研究经历了 3 - 安徽理工大学硕士学位论文 艰苦曲折的历程，这个历程可分为四个阶段。第一阶段：从开始到五十年代初， 发明了各种类型的聚变装置，如仿星器、箍缩装置以及磁镜装置等；第二阶段： 主要是五十年代中期，由于对困难认识不足，以为在短期内就能建成核聚变反应 堆，同时又由于认识到其具有潜在的军事用途，所以世界各国尤其是美苏两国都 在极其保密的情况下激烈的竞争；第三阶段i 从五十年代末到六十年代末，世界 各国都认识到要实现可控聚变困难很大，必须开展国际间的交流与合作，由此开 始解密并将重点转移到高温等离子体基本性能的研究：第四阶段：从六十年代末 至今，在世界范围内继续进行多用途的探索的同时，出现了托卡马克( t o k a m a k ) 的研究。 t o k a m a k - - 词来源于环形( t o r o i d a l ) 、真空室( k a m e r a ) 、磁体( m a g n e t ) 、 线圈( k o t u s h k a ) 的词头缩写，是环形磁容器的意思。它的中央有一个环形的真空 室，里面的等离子体就是靠真空室外面的纵向场( 也称环向场) 线圈产生的纵向 磁场来约束的：同时，在纵场线圈内外又分别安装了内、外极向场线圈，负责产 生极向场磁场，控制等离子体的位置和形状；内极向场线圈产生垂直场，形成环 向高压电，激发并加热等离子体，也起到控制等离子体的作用。通电时两种线圈 产生的磁场，在托卡马克的真空室内部会综合产生成型的螺旋状磁场，将等离子 体约束在一定的环形区域内并加热，以达到核聚变的目的。 ，、 摄向磁场 一一、。、 ，v 一一、 l l m m 时取值为1 5 。估算结果为8 3 0 6 6 2 m m ， 则试取加强筋间距为9 0 0 m m 。 图4 2 侧板加强筋横截面视图 f i g 4 2s e c t i o nv i e wo f o n er e i n f o r c e m e n tr i bo f t h es i d ep l a t e - 3 5 安徽理工大学硕士学位论文 下图展示了c t b 的顶板，上有很多开孔。很明显，顶板的大部分面积都被利 用来安装其他元器件了。因此顶板的应力集中问题需要注意，故设置了矩形加强 筋，加强筋尺寸为10 0 m m 2 0 r a m 。 图4 3 纵场馈线c t b 盒体顶板 f i g 4 3t o pp l a t eo ft ff e e d e rc t b 图4 4c t b 外部盒体 f i g 4 4o u t t e rb o xo ft ff e e d e rc t b 3 3外部盒体有限元分析 3 3 1 概述 本节首先从弹性理论出发，将结构件的关键单元进行简化，如实体单元和薄 板单元等，然后采用大型有限元分析软件a n s y s ，运用实体模型的方式，仿真 各结构在正常运行工况下的应力及位移分布特点。最后对得出的结果加以分析， 如果结果符合设计要求，则结束分析；如果计算结果不符合设计要求，往往需要 修改结构参数再分析。由此可见，力学模型的合理性直接决定计算结果的正确性。 图4 5 给出了对实际对象的力学分析程序1 3 到。 3 6 - 第3 章c t b 盒体的结构设计及有限元分析 图4 5 实际对象的力学分析程序 f i g 4 5a n a l y s i sp r o g r a mo ft h ea g t u a lo b j e c t 3 3 2 外部盒体分析【4 5 嘶】 1 建模、选择单元类型 为了减少网格数量从而减少计算所需的内存和时间，同时为了确保计算精度， 可以考虑不采用模型实体导入的方法，而在a n s y s 里建壳体模型。c t b 顶板上 尺寸很小的孔可以忽略掉，防止分析出现应力集中。由于c t b 外盒是梁壳结构， 若使用实体单元，如s o l i d 单元，则会使节点增加而加大计算量；如若使用梁壳单 元，即盒体部分采用壳单元( s h e l l l 8 1 ) ，加强筋部分用梁单元( b 蝴1 8 9 ) ， 那整个模型只需通过线和面来建立，不需要创建体，不仅会降低计算量，而且还 能真实仿真计算模型，得到符合真实情况的结果。 ： 2 定义材料属性 盒体( 包括加强筋) 的材料为s s 3 0 4 l ，由于所做的是结构分析，所以在a n s y s 前处理里的材料属性里输入材料的密度、弹性模量和泊松比即可，具体数值参见 表l 。 3 定义壳单元和梁单元的截面形状和尺寸 盒体的各个面的厚度不同，所以在前处理的“s e c t i o n 里都得一一设置；加 强筋的形状、尺寸和对盒体表面的位置偏置也得进行设置。 4 划分网格 a n s y s 划分网格有三个步骤：定义单元属性、指定网格控制、生成网格。 所以首先要对盒体的每个面和每根加强筋附网格属性，即附于它们各自的单元类 型、材料和截面形状等属性，这些属性在前几个步骤里已经定义完毕。接着设置 网格大小，此处设置o 1 m 即可满足分析条件，然后即可划分网格。 3 7 安徽理工大学硕士学位论文 图4 6c t b 盒体的有限元模型 f i g 4 6t h ef i n i t em o d e lo fc t bb o x 5 添加约束条件、施加载荷 c t b 盒体的底面与基础为固定连接，属于完全约束，可定义所有自由度为零。 c t b 是真空盒体，主要承受的是大气的压力和自身的重力，所以在进行有限 元分析时要加载重力加速度( z 方向加载1 0 m s 2 ) ，注意此时材料的密度一定要定 义。在盒体外表面施加1 0 1 3 2 5 m p a 压力，为了更加安全，引入1 3 的安全系数， 故施加1 3 1 7 2 2 5 m p a 的压力。 6 计算结果分析 图4 7 和图4 8 分别为c t b 盒的位移和应力分布云图。从图中可知，c t b 盒 在外压作用下的最大变形量为1 4 4 6 m m ，位于侧板人孔位置，但其实此处还会有 人孔的颈管，它将会使变形减小；最大等效应力为7 3 9 m p a ，且位于顶板加强筋 部位，说明加强筋起到了应力补强作用。 3 8 - 第3 章c t b 盒体的结构设计及有限元分析 图4 7c t b 盒体的位移分布图 f i g 4 7d e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o no nt h ec t bb o x 0 二：_ 72 i ，： 4 ：j z j 二j ! ce ? ：e + e 图4 8c t b 盒体的应力分布图 f i g 4 8s t r e s si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h ec t bb o x 7 分析结论 最大等效应力为7 3 9 m p a ，远远小于s s 3 0 4 l 的许用应力1 1 5 m p a 。顶板处应 力并不大，说明由于适当的开孔可以减效局部应力，所以建模时顶板处的阀孔不 能省略。最大位移也只有1 4 4 6 m m ，皆在许用范围之内，说明设计是可行的。 3 9 安徽理工大学硕士学位论文 3 4 本章小结 本章通过矩形平板计算公式等对c t b 的外盒体进行了理论计算和设计，并初 步确定：设置了加强筋的侧板壁厚为2 0 m m ，没有设置加强筋的侧板壁厚为4 0 m m ， 加强筋间距为9 0 0 m m 。接着用a n s y s 对该设计模型进行了有限元仿真分析，得 到了在外界大气压作用下的位移和应力结果：盒体最大应力为7 3 9 m p a ，最大位 移是1 4 4 6 m m ：并且能够清楚地看到应力及变形的主要集中区域。根据纵场磁体 馈线设计准则中的强度校核与应力判据准则可判定，c t b 外盒体设计可行。从该 章内容还可看出，分析辅助设计的方法，不仅减少了设计时间，也同时为有限元 软件对其它模型的分析奠定了基础。 4 0 第4 章c t b 真空隔断的设计及有限元分析 4c t b 真空隔断的结构设计及有限元分析 4 1概述 c t b 内部包括超导电流传输线、电流引线、冷却管路等，它们的正常工作温 度通常在4 5 k 左右，而c t b 外部盒体属于室温部件，为减小内部部件的热负荷， 正常工作时要求c t b 内部抽真空，同时c t b 内部要求设计冷屏结构。 连接在c t b 与低温车间之间的真空隔断，即低温分配管路接口，此接口既 包含了线圈和馈线的超临界氦s h e 的输入和输出管路，还包含了用来冷却高温超 导电流引线h t s c l 的5 0 k 的g h e 的输入管，以及通往馈线冷屏系统的8 0 k 1 0 0 k g h e 的输入输出管路，这些管路都延伸至c t b 中。而c t b 的开口很多，为防 止c t b 真空失效影响其它结构的稳定性，同时也可以避免其他装置发生故障对 c t b 产生影响，c t b 盒内需采用独立的真空空间，故设计真空隔断将c t b 真空 和低温车间真空隔开。真空状态是通过插板阀( 手动刀型闸阀) 处连接的真空泵 抽真空获得的。正常工作时，c t b 内的真空度可达10 7 10 p a 4 8 1 。 4 2 真空隔断设计1 8 , 3 6 , 4 9 真空隔断的位于真空盒体的末端，以便阀门的布管，液氦的回流。为避免 c t b 顶板不平整而破坏密封性能，所以c t b 顶板上所有的法兰都是建立在直接 从顶板向上拉伸来得到的管子上的，真空隔断结构亦是如此。在c t b 和低温分布 管路之间用g 1 0 绝缘法兰连接，法兰之间加装橡胶垫片，以隔断与低温车间的静 电传输，避免影响托卡马克中心装置的稳定，并且加入o 型圈，加强密封。 为了减少外界环境对供氦管的热负荷，真空隔断的结构设计中专门设计了 j a c k e t ，以增加传热路径增加热阻。所谓j a c k e t ，即为了加大外壁与内部结构的传 输距离而在中间加入一些管壁。这样从室温3 0 0 k 到氦管8 0 k 1 0 0 k 的传热路径长 约为6 0 0 r a m ，而从8 0 k 到4 5 k 的传热路径约为3 5 0 m m ，有效降低了热载荷的传 递，达到了隔热的目的。设计时采用标准钢管，以降低制造成本。连接处用环形 钢板，焊接在钢管的内外壁，避免放置在钢管顶端导致焊接困难，甚至无法焊接。 具体结构如图4 9 所示。 4 1 安徽理工大学硕士学位论文 口法兰 图4 9 真空隔断结构 f i g 4 9t h es t r u c t u r eo f t h ec t b v a c u u mb a r r i e r 真空容器简体可按下列短圆筒计算公式进行计算审 瓯= d d ( 盖) + c ( 4 - d 式中：坑名义厚度，姗； p 容器承受的外压强，m p a ； 见容器外壁直径，m m ； 三容器计算长度，m m ： e 弹性模量，m p a ； c 厚度附加量，m m 。 对于真空隔断，p = 0 1 m p a ，d o = 4 0 6 4 r a m ，= 2 8 0 m m ，e = 1 9 5 0 0 0 m p a ， c = 1 5 m m 。通过这些已知数据可算出真空隔断外圆筒厚度。 考虑到开孔，以及发生故障时可能产生的内压，为满足强度要求，可取瓯为 1 2 5 m m ，也大于计算数据，满足强度要求。 根据空间结构限制，c t b 真空隔断的整体结构尺寸如下： 真空隔断顶板厚：1 0 m m ； 4 2 第4 章c t b 真空隔断的设计及有限元分析 真空隔断外径：4 0 6 4 刀 皿； 真空隔断外管厚度：1 2 5 m m ； 颈管和小管厚度：6 3 m m ； 从3 0 0 k 到8 0 5 0 k 的热传导路径：6 0 0 m m ： 从8 0 k 到4 5 k 的热传导路径：3 5 0 m m ： 真空隔断距c t b 顶板高度：2 8 0 m m ： 表6 真空隔断中氦管一览表 t a b l e6l i s to fp i p e su s e di nv a c u u mb a r r i e r 类别数量尺寸 4 5 k 氦供应管 ld n 5 0 5 k 氦回流管 ld n 5 0 5 0 k 氦供应管 1d n 2 5 8 0 k 氦回流管 ld n 2 5 8 0 k 氦回流管ld n 2 5 4 3真空隔断的结构分析 由于真空隔断和c t b 外部盒体相连，且内部真空环境和c t b 盒体内部相通， 为了获得更真实、更精确的边界条件，可考虑将真空隔断和盒体、以及相连的冷 却管建在同一个有限元模型里，作为整模来分析。 4 3 1 整模介绍 此部分介绍的整模，即包含c t b 真空盒体、内部冷却管以及连接低温车间的 真空隔断等部分。整模机械分析的目的是研究盒体在正常工作状态和事故状态下 分别对冷却管的挠性产生的影响，以及冷却管收缩对真空隔断的影响，并验证整 模的机械强度。 4 3 2 整模分析1 5 0 - 4 4 1 1 建模、选择单元类型 盒体、连接低温车间的真空隔断以及顶板上阀门的颈管都是由面创建的，选 用s h e l l l 8 1 单元：盒体侧面和顶板的加强筋由线创建，选用b e a m l 8 9 单元；盒体 内部管路选用p i p e l 6 、p i p e l 7 和p i p e l 8 单元，可直接由创建单元来建成。 4 3 安徽理工大学硕士学位论文 2 定义材料属性 冷却管路材料选用s s 3 1 6 l ：其余部分，即外盒体、加强筋、颈管都是由s s 3 0 4 l 建成，需要输入材料的密度、弹性模量、泊松比和热膨胀系数，具体参数可参见 表1 、表2 。 3 定义壳单元、梁单元的截面形状和尺寸 基本步骤同3 3 2 章节的盒体分析，即盒体厚度和加强筋截面形状、尺寸和对 盒体表面的位置偏置的设置。 4 划分网格 划分网格的步骤也跟盒体分析时一致。首先对盒体的每个面和每根加强筋附 网格属性，接着设置网格大小( 由于整模中真空隔断和颈管的尺寸相对盒体来说 较小，所以可相对把网格尺寸调小一些) ，随后即可划分网格。最后得到的有限元 模型的节点数量超过7 8 ，0 0 0 ，所以总自由度超过4 6 0 ，0 0 0 。 图5 0 整模 f i g 5 0f u l lm o d e lw i t hd u c t sa n dv a c u u m b a r r i e r 图5 l 侧板法兰 f i g 51s i d ep l a t ew i t hf l a n g e 4 4 - 第4 章c t b 真空隔断的设计及有限元分析 5 添加约束条件、施加载荷 对于整模，边界条件只一种：为了防止c t b 发生位移，盒体的底面固定；冷 却管前端连接予s b b c t b 真空隔断上，所以管路的前端节点也是固定的。 正常情况下，c t b 内部和低温车间都为真空，盒体外界是大气压；但是若发 生氦管爆裂，则c t b 内部压力会增至1 5 b a r ，而由于有真空隔断，低温车间仍保 持真空。盒体一直处在室温下，内部管路设定为4 5 k 。为了观察温度载荷对整模 的影响程度，现将整模的载荷情况分为以下四种： 1 ) 载荷工况1 ：整模外部受1 b a r 的大气压( 即1 0 1 3 2 5 p a ) ，盒体内部及低温 车间为真空环境； 2 ) 载荷工况2 ：整模外部受0 9 b a r 的压力( 9 1 1 9 3 p a ) ，盒体内部受1 5 b a r 的压 力( 1 5 1 9 8 8 p a ) ，低温车间为真空环境； 3 ) 载荷工况3 ：基于载荷l ，在管路上施加4 5 k 的温度载荷，其余部分施加 3 0 0 k 的温度； 4 ) 载荷工况4 ：基于载荷2 ，在管路上施加4 5 k 的温度载荷，其余部分施加 3 0 0 k 的温度。 6 计算结果分析及结构优化 在载荷3 下，整模的应力分布显示如下： 图5 2 应力分布 f i g 5 2s t r e s sd i s t r i b u t i o no fc t b 可以发现，最大应力为2 6 0 m p a ，超出材料的屈服应力，且出现在真空隔断 - 4 5 安徽理工大学硕士学位论文 处，如图5 3 所示。分析原因，由于冷却管遇冷收缩，则连接真空隔断一端的冷却 管就会使真空隔断底部受很大的拉应力，导致应力过大。解决办法：如图5 4 所示， 修改冷却管结构加了一个弯管，希望该结构能够吸收一部分冷收缩变形。 图5 3 整模最大应力处 f i g 5 3m a x i m u ns t r e s so nc t b f u l lm o d e l a 修改前管道结构 b 修改后管道结构 图5 4 管道结构修改 f i g 5 4o p t i m i z a t i o no fc o o l i n gp i p e s 4 6 第4 章c t b 真空隔断的设计及有限元分析 经过结构优化后，各载荷工况下的分析结果如下。 表7 分析结果 t a b l e7r e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 哭 载荷工况1载荷工况2载荷工况3载荷工况4 分析结果( 外压)( 内压)( 外压+ 温度载荷) ( 内压+ 温度载荷) 盒体：1 0 8盒体：9 9 7 最大应力( m p a ) 1 0 68 1 8 管路：1 7 2管路：1 7 8 盒体：1 2盒体：1 1 最大位移( m m ) 1 20 7 管路：6 1管路：6 5 图5 5 载荷1 下的应力分布 f i g 5 5c a s e1 ，s t r e s si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h ef u l lm o d e l 。- 4 7 安徽理工大学硕士学位论文 7 润广 ” m a r1 12 d0 9 图5 6 载荷1 下的位移分布 f i g 5 6c a s e1 ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no nt h ef u l lm o d e l 1 i _ _ - p - 。“ 。、”“ 。 臻。 。 鬟j ，塑 ；，i 一磷i 爨萋甏攀 _ 建 -_h自g女b# 第4 章c t b 真空隔断的设计及有限元分析 图5 8 载荷2 下的位移分布 f i g 5 8c a s e2 ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no nt h ef u l lm o d e l 图5 9 载荷3 下的盒体上的应力分布 f i g 5 9c a s e3 ，s t r e s si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h eb o x 4 9 p l ， 安徽理工大学硕士学位论文 囊瞄鲞盥盛盥醴- 一 0 ：警誓o 警翟翟誊鍪誊 一 _ e：e o e 0 3 5 3 二e 一0 30 0 ：2 0 30 0 二0e 9 0 1 一0 3 图6 0 载荷3 下的盒体上的位移分布 f i g 6 0c a s e3 ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no nt h eb o x 图6 l 载荷3 下的管路上的应力分布 f i g 61c a s e3 ，s t r e s si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h ep i p e s 5 0 第4 章c t b 真空隔断的设计及有限元分析 图6 2 载荷3 下的管路上的位移分布 f i g 6 2c a s e3 ，d i s p l a c e m e n t n 。d a ls o l w i o n s t e p = 1 s u b = 1 t d e = 1 s i n t d = 0 s 似t 9 d i s t r i b u t i o no nt h ep i p e s m 酿1 i 1 】e + 0 8 3 3 2 e + 0 日 图6 3 载荷4 下的盒体上的应力分布 f i g 6 3c a s e4 ，s t r e s si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no i lt h eb o x 5 1 92 0 0 9 ：1 3 ：0 7 9 9 7 e + 0 8 安徽理工大学硕士学位论文 图6 4 载荷4 下的盒体上的位移分布 f i g 6 4c a s e4 ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no nt h eb o x 图6 5 载荷4 下的管路上的应力分布 f i g 6 5c a s e4 ，s t r e s si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h ep i p e s 5 2 第4 章c r ib 真空隔断的设计及有限元分析 图6 6 载荷4 下的管路上的位移分布 f i g 6 6c a s e4 d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no nt h ep i p e s 7 结论 根据分析结果，详见表7 ，可看出整模的最大应力及位移均在许可范围之内。 盒体顶部的最大变形小于l m m ，所以对阀门及真空隔断等部件的连接不产生影 响。冷却管的柔性也还可以，加了弯管后对真空隔断的应力也有明显的减小作用。 从整体上看，设计是合理的。 4 4 真空隔断的热分析网 4 4 1 概述 真空隔断将c t b 真空和低温车间真空分隔开，有许多冷却管穿过其中，而真 空隔断外管又处于室温下，因此此处的温度梯度比较大，有必要做一个热分析。 热分析遵循热力学第一定律，即能力守恒定律。本课题中是用有限元分析软件 a n s y sw o r k b e n c h 来完成这个热分析的。 4 4 2 真空隔断热分析 1 ) 建立有限元模型 为了方便计算，在不影响真空隔断本身强度和计算精度的前提下将模型简化， 5 3 安徽理工大学硕士学位论文 包含真空隔断和5 根冷却管的部分管段。根据结构尺寸和重要性，合理控制各部 分的网格大小，最后得到节点数量为2 0 9 2 2 9 。 图6 7 模型网格图 f i g 6 7t h em e s ho f l em o d e l 2 ) 定义材料属性 管予的材料是s s 31 6 ，其余部分除铜带外，都是s s 3 0 4 l 。这里需要输入材料 的密度、弹性模量、泊松比和热膨胀系数，具体参数可参见表l 、表2 、表3 。 3 ) 边界条件 a n s y s 热分析的边界条件包含7 种：温度、热流率、热流密度、对流、辐 射、绝热、生热。此结构中有4 5 k 、5 0 k 、8 0 k 的氦供应管和5 k 、1 0 0 k 的氦回 流管，所以需要在各管子端口施加相应的温度载荷。由于真空隔断外管处于室温 3 0 0 k 的环境下，故需要施加1 0 w m 2 c 的对流换热系数。载荷详见图6 8 。 图6 8 载荷图 f i g 6 8l o a d ss u p p l i e do n 廿l ef i n i t ee l e m e n tm o d e l 5 4 第4 章c t b 真空隔断的设计及有限元分析 4 ) 分析结果 结构的温度分布和应力分布可参见图6 9 和图7 0 。 图6 9 真空隔断的温度分布 f i g 6 9t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nt h ev a c u u mb a r r i e r 图7 0 真空隔断应力分布 f i g 7 0s t r e s sd i s t r i b u t i o no nv a c u u mb a r r i e r 5 ) 结论 由分析出的应力分布图可知，最大热应力还是在真空隔断底部接4 5 k 管的位 置，且最大值是3 3 7 m p a ，在许用范围内，故真空隔断的j a c k e t 设计是合理可行 的。 - 5 5 安徽理工大学硕士学位论文 4 5本章小结 本章对c t b 的真空隔断进行了设计，其中j a c k e t 设计是个创新之处，不仅因 为其多层结构可以减少外界为氦管的辐射热，还因为增加了热传导路径而减少了 外界对氦管的传导热。由于真空隔断和盒体机械连接，所以为了得到更加精确的 结果，真空隔断的机械分析放在了c t b 整模分析里。而由真空隔断的结构分析可 看出，冷却管收缩会导致真空隔断的底部应力高达2 6 0 m p a ，已经超出许用值， 所以给冷却管加了一个弯管结构，可吸收部分冷收缩变形，在进一步的有限元分 析中也证明了这样的结构优化是有效的。4 种工况下的分析结果，