（机械电子工程专业论文）iter水平诊断窗口插件结构分析优化及研究.pdf

气 u 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主嗍一竹砀破 委员： j 导师：王旭迪 f 、j 妖 级 付， 久 陟认裟 铆乡 狄磁 函孵 s j 矽 ，二 j q 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 究成果。 发表或撰 证书而使 明确的说 训矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些盘堂 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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名： 签字日期：劢l f 年 学位论文作者毕业 工作单位： 通讯地址： 日 导师签名5 王旭曲 _ _ ，o ，、l 签字日期：u 1 1 年咔月z 彳日 电话： 邮编： 飞l呵 ， - i t e r 水平诊断窗口插件结构分析优化及研究 摘要 i t e r 计划是未来热核聚变从实验走向应用的里程碑，给人类提供一个深入 研究核聚变反应的重要平台。i t e r 水平诊断窗口插件即安装于真空室赤道面开 口端和第二屏蔽层( s e c o n dc l o s u r e ) 之间的间隔处，用于容纳可测量等离子 体相关参数的诊断设备和仪器 i t e r 水平诊断窗1 3 插件体积( 2x 2x3 m ) 及重量( 4 5 吨) 均较为庞大， 并处于悬臂安装状态，在装置运行期间将受到较大的电磁力作用。通过对i t e r 提供的诊断窗口插件概念模型研究，结合窗口插件设计要求、加工制造和未来 检修维护等方面系统考虑i t e r 提供的窗口插件概念模型优缺点，对窗口插件 不合理部位进行了改进设计，并对改进后的结构进行了系统结构分析。结构抗 震分析作为系统分析的一部分，依照i t e r 对部件抗地震性能的要求，对i t e r 水平诊断窗口插件采用两种不同的加载方式对窗口插件进行了结构抗震分析。 i t e r 诊断窗口插件预研重要组成内容之一：r & d ( r e s e a r c h & d e v e l o p m e n t 简称“r & d ) i 作，主要包括焊接和深孔钻技术研究等。窗口插件通过焊接方式 将各部件进行连接，且对焊接后的插件变形和强度均有比较严格的要求。窗口 插件系统带有一套水冷系统，冷却管道均在插件面板上，深孔钻加工技术研究 是一项重要的预研任务。在r & d 工作中对焊接和深孔钻加工进行大量试验研 究。 通过对窗口插件结构改进设计后，窗口插件各部件焊接部位最大焊接深度 降低到 支撑第一壁铠甲和屏蔽板材料。 为真空室、线圈和窗口区域提供中子和伽玛射线屏蔽。 为真空室开口部位提供真空边界面，闭合真空室开口。 输出多种类型诊断信号和输入多种类型控制信号。 5 p 0 f 玎 p i u g 图卜3 水平窗口及相关系统3 4 1 2 0 0 6 年11 月2 1 日，i t e r 项目与参与i t e r 计划谈判的欧、日、美、俄、 中、韩、印七方草签，后经各国立法机构审批通过，i t e r 项目正式进入工程建 设阶段。根据七方达成的协议诊断窗口大部分将以实物的形式提交给i t e r 。为 此，i t e r 组织于我国d a ( d o m e s t i ca g e n c y ) 签署相关诊断窗口协议，将由我 国完成协议内规定部分的设计、加工、制造一整套任务。协议规定水平诊断窗 口插件( 1 2 捍) 的主体结构及主体内部的诊断模块的结构将由我国完成设计制造。 窗口插件其他附属构件及内部诊断系统将由i t e r 成员国完成设计加工任务， 最后将由我国负责完成总体装配和维护工作。水平诊断窗口插件( 12 群) 整个系 统任务分配见表3 1 ，表中n 0 3 和n 0 4 任务可能有变动，将由i o 负责。 表1 - 3 水平诊断窗1 2 1 插件及相关组件的责任落实方 6 1 4 论文主要内容和预期目标 当前技术条件下，对聚变研究仍然是建立在实验装置的基础之上，通过建 立实验装置开展相关等离子体等技术研究。因此，试验装置的设计是否合理， 是否达到设计要求将直接影响着后期的试验研究。i t e r 装置是由多部分组成， 它的设计是个庞大的系统工程。 本文研究的主要目的是为未来诊断窗口插件的设计、加工制造等做前期预 研工作，积累相关经验。根据i t e r 装置部件设计要求、实验物理条件和工程 实验目标，对i t e r 水平诊断窗口插件( 1 2 # ) 开展相关结构设计分析和工程研 究。装置部件设计的好坏直接关系到未来窗口插件工程可靠性、加工难易、和 工程物理实验目标的实现。本文将从工程可靠性、加工制造难易、降低材料成 本、安装使用等多个方面考虑，对i t e r 水平诊断窗口插件结构体进行结构分 析和优化，来验证水平诊断窗口插件在各种复杂工况下是否满足i t e r 设计要 求。同时为解决未来窗口插件研制过程中存在的技术难点开展相关试验研究。 本文研究的主要内容和达到的预期目标如下： 1 对i t e r 国际组织( 简称“i o ”) 提供的概念化模型进行力学性能系统评估， 并根据i t e r 设计要求和准则，从工程可靠性、加工制造难易、降低材料成 本、安装使用等多方面对概念设计中不合理部分进行重新设计，并对改进后 的结构进行有限元分析。 2 采用两种不同的方法对i t e r 水平诊断窗口插件进行结构抗震分析，确定结 构的抗震性能。 3 对i t e r 水平诊断窗口插件进行r & d 工程研究。 4 对i t e r 水平诊断窗口插件的未来工作进行展望，提出参考意见。 7 第二章i t e r 水平诊断窗口插件设计准则 i t e r 诊断窗口插件分布于真空室大厅上、中、下三个部分，各个不同位 置诊断窗口功能各不一样，诊断窗口所受到的载荷也不相同。i t e r ( 12 拌) 水 平诊断窗口插件是多项诊断共用的窗口插件，用于安装可观察和测量等离子体 相关参数的诊断设备和仪器，其内部主要集成软x 射线相机、可见和红外视频 测量、收集汤姆逊散射测量、氢阿尔法线( h ) 光谱测量四个子诊断模块。这 些诊断系统对结构体的变形控制十分严格。例如软x 射线相机，其光路通道夹 角只有十几度，而通过诊断窗口信号通路口只有几个毫米宽，窗口插件稍大的 变形，将会导致探测系统信号无法通过。另外，窗口插件功能之一提供真空边 界，作为真空室内部一级真空部件，其损坏将会直接导致托克马克装置无法运 行。窗口插件底部屏蔽模块作为第一壁，直接面对等离子体及中子辐射热都将 对窗口插件产生重大影响。由于其特殊的功能和要求，对其结构设计要求十分 严格。为了更好的进行窗口插件设计分析，首先必须对窗口插件可能受到的各 种单载荷和复合载荷进行定义说明。对于窗口插件所受到的各种载荷工况，需 制定相应的标准来确定材料的许用应力级别。本章将主要介绍i t e r 水平诊断 窗口插件受到的各种单载荷、复合载荷、设计和判定标准。 2 1i t e r 水平诊断窗口插件单载荷描述1 3 4 0 7 l i t e r 水平诊断窗口插件是通过嵌入式插进真空室，窗口插件前端通过法兰 连接方式跟真空室其他部件相连。作用在i t e r 真空室上的载荷主要包括：电 磁载荷、惯性载荷、热载荷和压力载荷等。水平窗口插件受到的各种载荷都 是在特定环境下产生的，下面简要介绍i t e r 水平诊断窗口插件受到的载荷情 况。 1 、等离子体破裂事件 等离子体破裂( p l a s m ad i s r u p t i o n ) 事件主要由于对等离子体位形约束失 败和杂质渗入等因素而引起的事件。等离子体破裂事件的主要后果是将在包层 模块、真空室内部、偏滤器和面向等离子体部位产生感应电流，而引起局部载 荷。载荷的大小将依赖于等离子体电流熄灭持续的时间而定。i t e r 设计了两种 等离子体破裂情况：等离子体破裂i ( 简称“c d i ”) 假定电流熄灭持续时间 5 4 m s ，等离子体破裂i i ( 简称“c d i i ) 假定电流熄灭持续时间2 7 m s ，两种假 定事件可以详细查阅真空室及其内部部件电磁载荷f 3 8 】和等离子体破裂模拟【3 9 1 。 2 、垂直位移事件 当反馈控制系统发生故障时，等离子体的垂直位形控制功能将失效，导致 垂直位移事件v d e ( v e r t i c a ld i s p l a c e m e n te v e n t ) 发生。根据电流熄灭的速度 可以将垂直位移事件分为两种情况：第一种称为快电流熄灭垂直位移事件，将 会导致在屏蔽包层和真空室上产生较大的涡流。第二种称为慢电流熄灭垂直位 r 移事件，将会导致在真空室内部结构上产生较大的h a l o 电流和垂直载荷。在真 空室结构设计中根据垂直位移事件发生的概率，将垂直位移事件分为v d e i 、 v d e i i 和v d e i i i 。通常情况下v d e i i i 发生的概率较小。v d e i i 比v d e 1 i i 发生的概率增加，因为h a l o 电流在真空室及其内部部件上产生的水平和垂 直力等于v d e i i i 中产生载荷的7 5 。v d e i 事件发生的概率最高，因为h a l o 电流在真空室及其内部部件上产生的水平和垂直力等于v d e i i i 中产生载荷的 6 0 。 3 、地震载荷事件 地震事件一般来说是小概率事件，但是一旦发生将会对装置结构产生重大影 响。地震是由于地壳的运动而引起的，发生地震时将在地球表面产生水平和垂 直两个方向的加速度，而且这种加速度一般具有频谱特征。根据i t e r 对真空 室设计要求，i o 设计了两种地震载荷，一种以谱的形式给出，另一种根据真空 室内部水平诊断窗口插件周围加速度进行估算后，给与一定安全系数的加速度 载荷。 4 、压力载荷 压力载荷包括对窗口插件进行冷却的冷却水压力和可能由于事故导致真空 室内外压差。在不同的情况下，冷却水的压力也不尽相同。在等离子体正常运 行时，冷却水压力约在0 9 1 3 m p a 之间。烘烤时的压力变为2 3 m p a 。 5 、热载荷 在i t e r 大厅主舱内等离子体正常运行时的温度为1 2 0 。c ，诊断窗口插件始 终处于加热状态，在烘烤情况下温度为2 0 0 。c ，在升温和降温的过程中将会出 现温度梯度，当温度梯度较大时将会在结构件上产生较大的热应力。 2 2i t e r 水平诊断窗口插件复合载荷分类 在i t e r 装置运行期间，不同的部件可能处于不同工况下。在不同的工况 下将受到不同载荷其真空室坐标系关系见图2 1 ，参考i t e r 水平诊断窗口插件 i t e ri o 规定【4 0 4 ，根据各种单载荷出现的概率大小分为如下几类： i 正常运行载荷( 如c d i ，v d e i ) i i 可能发生的载荷( 如s l ，c d i i ，v d e i i ，i c e i i ) i i i 不太可能发生的载荷( 如v d e i i i ) i t e r 水平诊断窗口插件各种单载荷简称分类及大小见表2 1 和2 2 ， 9 图2 1 窗口插件在真空室坐标系关系 表2 - 1 水平诊断窗口插件载荷简称 表2 1 水平诊断窗口插件各种单载荷分类4 2 l 备注：力单位：m n ，力矩单位：m n * m ，加速度单位：m s 2 i t e r 水平诊断窗口插件在真空室环境中一般不会只受单一载荷的影响，这 些载荷之间相互关联，相互影响。在对不同载荷在何种情况下出现，i t e r 装置 l o 设计中采用了一套专门规则来建立载荷组合和分类。在初始条件下，同样事件 发生的概率大于1 时则称为“很可能”，当发生概率小于l 时则称为 “不 太很可能 ，根据这一规则i o 给出了i t e r 水平诊断窗口插件可能受到各种复 合工况载荷见表2 3 【4 2 1 ，各种载荷简称如上。 表2 3 水平诊断窗e 1 插件各种复合工况载荷分类4 2 1 备注：力单位：m n ，力矩单位：m n * m ，加速度单位：肌s 2 2 3i t e r 水平诊断窗口插件设计标准1 4 3 。4 4 l 对于一个复杂的系统工程，在设计过程中必须有一个统一的设计标准，对 i t e r 的建造尤为重要。1 9 9 7 年i t e r 机构在美国阿贡国家实验室召开会议讨论 i t e r 真空室设计标准问题，会上讨论参考传统压力容器设计标准来制定一套单 独适用于i t e r 真空室设计标准，最后确定将a s m e d i v 2 标准替代a s m e i i i 作为i t e r 真空室设计标准。在上一节中我们已经对单个载荷和复合载荷进 行了分类说明，在这些不同的载荷类别中进一步给出了判据级别。表2 4 给出 了各类载荷服役级别和对应的强度因子k 表2 - 4 各类载荷下应力强度因子 压力容器设计一般采用公式化设计( d e s i g n b y f o r m u l a ，d b f ) ，对于标准的 压力容器通常采用图标和公式即可确定设计尺寸大小。但是考虑到i t e r 水平 诊断窗口插件结构体是不规则形状，采用d b f 法进行设计可能比较困难。对压 力容器的设计国外还有依据分析计算结果来进行压力容器设计 ( d e s i g n b y a n a l y s i s ) 对于窗1 2 1 插件的结构来说采用d b a 法更为合理。在d b a 弹性分析设计中，首先需对各种应力进行分类，来确定它们的许用应力极限。 a s m e 标准中按照应力的性质和影响范围，将应力分为一次应力( p ) 二次应 力( q ) 和峰值应力( f ) 。其中一次应力又叫基本应力，主要是由机械载荷在 部件上引起的正应力或剪切应力。一次应力又分为总体薄膜应力( p m ) 、一次 弯曲应力( p b ) 和局部薄膜应力( p 1 ) 。二次应力主要指由相邻部件或结构自身的约 束而产生的法向应力或剪应力，其不会对结构体变形产生明显影响。峰值应力 是由于结构体局部结构不连续而引起的应力集中而加到一次应力和二次应力之 上的应力增加值。根据i t e r 设计要求【4 叽4 2 1 ，各类应力应该满足如下标准： 己 1 o k 瓯 ( 2 1 ) 只+ 冗 1 5 k 瓯 ( 2 2 ) 己+ 罡+ b + q 3 0 k 瓯 ( 2 3 ) 其中k 为应力强度因子，是由服役级别所决定，取值参考表2 4 。瓯为在 对上面设定应力标准，限制一次应力只要是保证结构不会发生大的塑性变形。 限制一次应力和二次应力之和是为了防止塑性变形继续加大，避免发生结构破 坏。因此只要在确定了结构件的材料和工作环境温度及载荷类型就可以确定许 用应力。 2 4i t e r 水平诊断窗1 ：3 插件材料特性和需用应力1 4 5 - 4 5 作为聚变反应堆建设过程中十分重要的环节即材料的选取。除了要求材料强 度要好外，还要求材料具有良好的力学性能、良好的焊接性能和无磁等。结合 欧盟多年的反应堆使用材料经验，i t e r 水平诊断窗口插件材料选用3 l6 l ( n ) 一i g ( i t e rg r a d e ) 不锈钢。i t e r 组对这种材料进行特别的规定。这种材料的成 分和物理特性见表2 5 和表2 6 1 2 表2 - 53 1 6 l ( n ) 一i g ( i t e rg r a d e ) 备注：未作特别说明的材料成分含量尽可能低 t a + n b + t i 0 1 5 宰宰 0 0 0 1 0w t b 一指需要二次焊接时要求，其他为0 0 0 2 0 w t b 水平诊断窗口插件材料为3 16 l 不锈钢，其成分不同于普通的31 6 l 不锈钢 材料，由于窗口插件处于特殊的环境当中，i t e r 对材料成分进行特殊要求见表 2 53 1 6 l ( n ) 一i g ( i t e rg r a d e ) ，对部分微量元素进行了控制。 表2 - 6 奥氏体不锈钢3 1 6 l ( n ) - i g 物理特性 大多数金属材料随着温度的升高， 3 1 6 l ( n ) 一i g 在室温下设计许用应力强度 材料强度将会降低。奥氏体不锈钢 ( s m ) 为1 4 7 m p a ，当温度升高到2 0 0 时材料的许用应力强度( s m ) 下降到1 3 0 m p a 。根据上节对各种载荷的分 类和服役级别给出材料许用应力见表2 7 表2 - 7 奥氏体不锈钢3 1 6 l ( n ) 一i g 许用应力 2 5 本章小结 本章主要介绍了窗口插件受到的载荷包括自重、电磁载荷、地震载荷、压 力载荷和热载荷等来源和可能产生的影响，并对这些载荷进行单载荷分类和复 合载荷分类介绍。根据i t e r 在美国阿贡国家实验室讨论的结果确定i t e r 真空 室结构设计标准s d c i c ，并对各种载荷服役级别确定不同的应力强度因子k 。 随后介绍了窗口插件结构设计使用的材料和其相应物理特性及不同温度下材料 许用应力等，这些将作为后文设计分析计算提供参考依据。 1 4 第三章i t e r 水平诊断窗口插件结构分析及优化 3 1i t e r 水平诊断窗口插件结构及部件介绍 3 1 1 诊断窗口插件介绍 i t e r 水平诊断窗口插件( 12 拌) 将安装在真空室赤道面开口端和第二屏蔽层 ( s e c o n dc l o s u r e ) 之间的间隔部位，整体为不锈钢构架。这种特殊的壳体结构 有助于支撑各诊断组件，并且满足结构体的强度要求和留有足够的空间。其中 1 2 # 水平诊断窗口插件在真空室的位置及形状见图3 1 l t e r 工程总体布局3 d 图 i t e r 超导托卡马克结构示意图 诊断窗口在真空室中所处位置 水平诊断窗口插件 图3 1 水平诊断窗口插件在真空室位置及形状4 9 1 所有窗口插件前期概念化设计将由i o 提供，其详细设计分析将由各个d a 完成。水平诊断窗口插件设计必须满足i t e r 设计要求，同时要求其能够长期 运行于高真空强磁场环境要求。由i o 提供的水平诊断窗口插件概念模型见图 3 2 提升法兰后扳挡扳 图3 - 2 窗口插件3 - d 视图 由于窗口插件体积较大( 2 2 3 m ) 且重量达到数十吨、结构体形状不规 则、设计要求十分苛刻等因素给窗口插件的设计带来许多困难。表3 1 列出了 窗口插件主要零部件几何参数。窗口插件各子部件将通过焊接或螺栓连接方式 将各部分连接起来。 表3 1 窗口插件主要零部件几何参数 3 1 2 诊断窗口插件零部件介绍 基于欧盟的核反应堆设计经验并根据i t e r 有关设计文件的要求，i t e r 组 织对诊断窗口插件进行了前期的概念设计。本节对i t e r 诊断窗口插件各零部 件的结构和功能进行简单介绍： 六提升法兰( l i f tf l a n g e ) 提升法兰位于窗口插件最前端其三维结构见图3 3 ，法兰与真空室颈口相 连，起到密封和夹持等作用，是诊断窗口插件的共同特征。提升法兰主要包括 1 6 联接法兰和密封法兰。连接法兰支撑整个窗体的重量并承担感应电磁载荷作用， 密封法兰起着窗口插件真空密封作用。外侧端部的密封好坏将决定着系统的真 空性能。因此设计加工水平窗口插件时，法兰与真空室的连接和密封要求较高。 图3 3 提升法兰结构 提升法兰由于尺寸较大外，形轮廓尺寸达到2 3 3 0 18 7 8 5 4 0 m m 、重量达 到4 7 吨。提升法兰要求具备高强度和韧性，对其加工制造精度也较为严格。 同时提升法兰内部还有冷却管道将会增加部件加工成本和困难。 后板( r e a rp l a t e ) 后板主要起到承接提升法兰与窗口插件主体连接。其三维结构见图3 4 ， 后板重要功能之一是起到连接主体结构四块侧板作用，由于窗口插件尺寸较大， 对结构变形控制较为严格，在后板的结构中采用带凸台设计，这样可以方便窗 口插件侧板连接定位。后板另一侧面凹台设计将方便隔离窗口插件主真空作用。 在加tn 造中凸台结构较为复杂，四块侧板将焊接在凸台部位，对制造中的定 位可能较为困难。 侧 3 4 后板结构 1 7 基板( b a s ep l a t e ) 基板是一块6 0 r a m 厚面板和两个加强筋组成，将是主体结构装配过程中第 一个部件，采用锻造加工制成。其三维结构见图3 5 ，基板内部冷却通道将采 用深孔钻加工技术对其进行钻孔。可以从一侧面进行加工，对钻孔造成不必要 的端部开口采用焊接封头进行堵塞。基板另一个重要功能是窗口插件内部诊断 模块将直接定位在基板上，采用螺栓联接方式进行连接。与后板通过焊接方式 进行连接。b s m 板连接头将与基板顶端采用螺栓进行连接，可能这种设计不太 合理。 - - o j j 图3 - 5 基板结构 项板( t o pp l a t e ) 顶板是一个6 0 m m 厚面板和两个加强筋组成，采用锻造加工制成。其三维 结构见图3 - 6 ，顶板的安装刚好跟基板位置相对，同样是安装于后板一侧，主 要起到连接整体框架和屏蔽等离子体等作用。项板内部同样钻有冷却通道，起 到对窗口插件内部诊断设备和仪器的冷却作用。加强筋上的冷却通口将连接各 自诊断模块。与后板通过焊接方式进行连接。 图3 - 6 顶板结构 1 8 左右侧板( l e f t r i g h tp l a t e ) 左右侧板采用对称设计，主要起到为诊断模块提供必要的屏蔽、定位、固 定等作用，其三维结构见图3 7 。侧板的设计厚度为6 0 m m ，内部钻有冷却通道。 采用锻造加工制成。侧板加工相对于窗口插件其他部位较为容易。 图3 - 7 侧板结构 e e o d 诊断模块( d i a g n o s t i cm o d u l e ) 诊断模块是窗口插件最为核心部位。其三维概念结构见图3 8 ，主要由软x 射线相机、可见和红外视频测量、收集汤姆逊散射测量、氢阿尔法线( h a ) 光 谱测量四个子诊断模块组成。为了便于安装和维护，采用模块化设计。模块中 带有冷却系统将保证诊断模块受热后尺寸的稳定性。 模块是一组自约束、高真空要求的部件，装配诊断元件前后均需要测试氦 泄漏率。装配阶段，屏蔽块填充在窗体与诊断模块的间隙里，保留通光孔径。 诊断模块中预留出诊断信号通路结构，例如视准线孔、维护和检测的开口等。 在整个窗口插件设计中诊断模块的设计最为复杂，因为将牵涉到国际合作和沟 通。四套诊断系统分别在四个国家完成设计，之后在中国完成最终的集成。窗 口插件内部尺寸有限，设计是否合理将直接影响到将来的集成工作。 图3 - 8 诊断模块结构( 框架) 1 9 屏蔽包层模块( b l a n k e ts h i e l dm o d u l e 简写b s m ) 屏蔽包层模块主要起到对中子屏蔽的作用，保护窗口插件中诊断系统的光 学元件及其它零部件传递来自等离子体的热量1 47 。其三维结构见图3 - 9 ，该部 件的结构复杂、功能特殊，b s m 板的光学通道设计十分复杂，这使得加工制造 较为困难。因此安装与维护的要求较高。 b s m 前端面是第一壁( f i r s tw a l l ) ，第一壁表面焊接铍板( 金属铍具有良 好的导热、导电、耐热、耐磨。且在内部将开有冷却通道，起到屏蔽和隔热作 用) 。b s m 板体积较大、重量达到十几吨之多，如何设计使得b s m 板可以和插 件主体较好的连接一直是一个比较困难的问题。除了要求b s m 板要和主体较 好的连接外，还要方便未来对插件内部诊断模块的维护。但是这种b s m 板结 构整体连接窗口插件主体较为困难。 图3 - 9b s m 板结构 上面对i t e r 提供的窗e l 插件概念模型各子部件进行了简单的介绍。概念模 型与最终的设计有着很大的区别，因为概念设计仅仅是根据以往的设计经验给 出一个大体的结构。在进行窗口插件结构设计时，不仅仅从设计角度出发使得 结构强度满足设计要求就算是一个完好的设计，我们还要多方面考虑，比如从 制造工艺、产品维护、成本控制等方面去协调设计，使得从多方面都能够达到 最优化。 3 2i t e r 水平诊断窗口插件初步分析 3 2 1 诊断窗口插件建模和分析软件介绍 i t e r 项目是一个系统性工程，在进行结构设计和分析，为了便于统一管理 和调用资料，规定i t e r 项目结构设计采用三维设计软件c a t i a ，结构分析采 用通用分析软件a n s y s 。 c a t i a ( c o m p u t e r a i d e dt h r e e d i m e n s i o n a li n t e r a c t i v ea p p l i c a t i o n ) 软件是 由法国d a s s a u l ts y s t e m 公司从上个世纪七十年代开发主要应用于航空航天、汽 车制造、船舶制造等机械制造行业c a d c a e c a m 一体化软件。c a t i a 从上世 2 0 纪七十年代出现以来，已经相继推迟了五个版本，目前在w i n d o w s 平台下使用 的是v 5 版本，这个版本相对以前版本来说界面更加友好，功能更为强大。c a t i a v 5 是新一代设计软件，运行的硬件平台独立，既可运行于u n i x 也可在w i n d o w s n t 。c a t i a 软件在国内各行业应用也越来越为广泛，在全国西安、成都、上海 等飞机制造商全部采用这套软件。北京奥运会鸟巢设计和世博会中国馆设计等 都采用c a t i a 软件，其强大的功能得到了用户的一致认可。本文在进行三维建 模时即使用c a t i a 软件。 a n s y s 软件起源于结构矩阵分析的有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ， 以有限元分析为基础的大型通用c a e 软件，它融合包括结构、流体、热、电磁 声学等在内的多学科知识。a n s y s 软件由总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡的 a n s y s 公司开发，该公司于上世纪七十年代j o h ns w a n s o n 博士创建。a n s y s 软件广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空、汽车制造等众多工 业领域和科学研究。a n s y s 作为最为通用的商用有限元软件，它不断吸收当今 世界最新的计算方法和计算机技术，引领着有限元界的发展趋势，并为全球工 业界广泛认可。a n s y s 其强大的功能和可靠的质量也赢得了中国c a e 用户的 认可，在我国的航空航天铁路运输石油化工机械制造等行业广泛应用1 4 7 1 a n s y s 软件主要包括三个模块：前处理模块( p r e p r o c e s s o r ) 、分析计算模 块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t p r o c ) ，其有限元分析主要步骤包括如下几个 部分： 1 ) 有限元建模 前处理主要是指有限元模型的建立过程，主要包括实体模型的建立、材料属 性的定义、单元类型的选择、划分网格等。其中实体模型的建立通常包括两种 方法：在a n s y s 平台下建模和在c a d 软件中建立完成后导入a n s y s 软件， 对于结构简单模型直接在a n s y s 里面建模。对于结构复杂的模型，由于a n s y s 自带的建模功能较弱，需要用专门的三维建模软件进行建模后，再导入a n s y s 软件中去。本文采用第二种方法，采用c a t i a 软件建立三维模型导入a n s y s 。 2 ) 施加载荷并进行求解运算 a n s y s 前处理完成后，主要任务是对有限元模型进行载荷施加和边界约束。 a n s y s 分析中的载荷主要有六种形式：自由度载荷、集中载荷、惯性载荷、面 载荷、体载荷和耦合场载荷。载荷可以施加到实体模型上去，也可以施加到有 限元模型上去，可以根据实际情况进行选择。载荷加载完成后对有限元模型进 行合适的约束后选择合适的求解器进行分析就算。 3 ) 查看分析结果进行后处理 a n s y s 提供了两种后处理方式：通用后处理器和时间历程处理器。可以提 供分析计算结果的应力应变云图、等值线图、动画显示云图及随时间变化结果 图等。可以根据需要进行适当选择。 a n s y s 分析具体流程见图3 1 0 2 l 图3 一1 0 有限兀分析流程 3 2 2 弹性结构分析的理论依据 三维弹性有限元分析的理论依据主要是三个方程：平衡方程、几何变形方 程和材料物性方程，同时结合边界条件及约束来求解工程物理问题。图3 1 l 是 在物体中任意选取的平行微分六面体单元，当它处于平衡状态是，所受的合力 和和力矩在三个坐标轴方向均为零，由此我们可以得到平衡方程( 3 1 ) ，共三 个独立的等式。研究平等六面体变形，我们可以得到应变和位移的关系式( 3 2 ) ， 共六个独立等式。 图3 - 1 1 平行微分六面体的应力分量 在实际的问题中，我们需要确定的应力、应变和位移，共十五个未知数： 位移、应力和应变分别有三个、六个和六个。所以还需要添加六个独立等式， 2 2 即材料的物性方程式( 3 3 ) 。其中甜，1 ，w 为三个坐标方向上的位移分量，b 表 示体积力，j l f 为泊松比，仃、f 、y 分别表示正应力、剪应力、正应变和剪 应变，e 和g 分别表示杨氏模量和剪切弹性模量，它们之间的关系为： g ：上。 2 ( 1 + p ) 平衡方程： 亟+ 笠+ 丝+ 瓦：o 叙a 。 瑟 4 笠+ 堡+ 丝+ r ：o 瓠a y 龙 v 监+ 笠+ 堡+ 夏：o( 3 1 ) 瓠 a y 己z 几何变形方程 抛加挑 s j2 is y2 i 乞2 i o x0vo z ，：生+ 丝y ，：坐+ 堡y 。：塑+ 丝 ( 3 2 ) b 2 瓦+ 瓦2 瓦+ 瓦心2 瓦+ 瓦 2 m0 v 0 zo za ) c 材料物性方程 = 去 q 一 j ( o y + g z ) 】= 吉 s y = 面1 【仃y 一( 吒+ 吒) 】= 吉 乞= 去 吒一j l f ( 吒+ q ) 】k = 石1 吃 ( 3 3 ) 用平行微分六面体分割物体时，不规则的物体一般很难得到六面体单元， 而中能的到四面体单元，在研究四面体的平衡时，我们可以得到边界条件( 3 4 ) ， 其中，、m 、n 为边界外法线的方向余弦。对于二维方程中包含小脚标z 的分量 去掉即可。 o j + t 秽m 七t 般n = p x f 砂，+ q ，珂+ f 弦刀= p x f 。，+ f 矽m + g ：聆= p x ( 3 4 ) 上述的三大方程和边界条件经常以更加紧凑的指标形式表示，这样平衡方程为 2 3 ，j + 0 = o ；几何方程为勺= i 1 ( ，+ u j ) ，其中甜u 表示u i 对j 方向求偏导数，当 1 f 不等于时，= 去，物理方程为白= 或- 射1 仃盯或= b k t ；边界条件为 z 6 口l j = p t o 3 2 3 诊断窗口插件有限元建模及边界条件 i t e r 诊断窗口插件在真空室内部将受到各种电磁载荷及其他载荷的影响， 结构设计的好坏将会直接影响到内部诊断仪器和设备功能的正常发挥。上一节 中就i t e r 提供的概念模型结构进行了简单介绍，从结构介绍中可知窗口插件部 分结构设计不是很合理，同时设计的窗口插件结构需通过有限元分析来确定其 能否满足i t e r 设计要求。本文采用c a t i a 软件建立三维模型，通过文件格式转 化，导入a n s y s 软件中进行有限元分析。在进行有限元网格划分过程须注意一 方面尽量划分成六面体网格，因为这样既可以减少网格数量又可以提高网格质 量。另一方面在网格划分中生成的单元网格既不要太大也不要过密，以利于分 析计算。 在进行有限元网格划分过程中首先需要确定采用哪种单元形式。因为在 a n s y s y 中不同的单元形式将有着不同的作用。本文采用实体单元s o l i d i8 6 和 s o l i d l 8 7 单元，其中s o l i d l 8 6 是六面体单元，见图3 1 2 ，s o l i d l 8 7 四面体单元。 s o l i d l8 6 单元是一个高阶3 维2 0 节点固体结构单元，具有任意空间各向异性， 单元支持塑性、超弹性、蠕变、大变形、大应变等能力，这种单元结构形式见 图4 2 【5 0 1 ，s o l i d l 8 7 单元是3 维1 0 节点单元。水平诊断窗口插件有限元模型 共生成7 2 6 1 6 个单元，i t e r 水平诊断窗口插件有限元模型见图3 1 3 0 图3 1 2s o l i d l 8 6 单元结构形式图3 一1 3 窗口插件有限元模型 有限元分析中还有一个十分重要的条件：边界约束。对于一个分析结果来说， 边界约束好坏将会直接影响到分析结果的合理性。i t e r 诊断窗口插件属于悬臂 结构，窗口插件通过提升法兰与真空室其他部件进行相连。在进行有限元分析 2 4 祭务一帮一 计算时全自由度约束提升法兰内肋板与真空室部件相连接面。 3 2 4诊断窗口插件初步载荷分析 由于窗口插件载荷类型较多，根据i t e r 提供的载荷，选取其中一种较大 的载荷对窗口结构进行初步分析，其载荷见表3 2 ，有限元分析结果见图3 一1 4 表3 - 2v d e - i i i + s l + d w 载荷 一 萎黝口 ( c ) 一一 。能。 = 乞! “” = ：粼_ ( d ) 一- 。能 ；品： n 一一 制嚣：翰：一- i i j ( a ) 整体变形( b ) 整体应变( c ) b s m 连接处应力( d ) b s m 连接处应变 图3 - 1 4 优化前窗口插件应力应变 从分析的结果看诊断窗口插件在受到电磁力和电磁力矩及地震载荷影响下， 结构整体受到较大影响，应力和应变主要集中在b s m 板连接处，其受到的最大 应为7 2 0 m p a ，由表2 6 可知，连接部位受到的应力集中超出了i t e r 设计标准， 窗口插件b s m 板连接方式显然不符合设计要求。另外，从前面的结构介绍中 可知由于其他方面原因窗口插件概念模型中有一些部位设计也不是十分合理， 2 5 需作进一步优化改进。 3 3i t e r 水平诊断窗口插件结构改进 3 3 1 诊断窗口插件不合理部位 i t e r 水平诊断窗口插件结构设计是一个复杂的过程，结构设计很难一次完 成。i o 仅仅是提供窗口插件概念设计，更为详细的设计是每个d a 根据实际 需要自己完成。我国承担1 2 # 水平诊断窗口插件的设计、制造、集成整个过程， 所以我们必须从多方面考虑窗口插件设计的合理性，通过与i o 多次交流，中 国对i t e r 组织提供的概念模型中存在的部位进行逐个罗列并进行交流讨论， 对不合理部分进行从新设计。主要不合理方面包括： 结构设计方面 在上一节对水平诊断窗口插件结构体进行了初步结构分析，从分析结果表明 窗口插件主体不b s m 板连接部位应力过大，超出i t e r 设计标准需对连接部位 改进设计。 加工制造方面 窗口插件概念设计中可能没有较多的考虑加工制造等问题，对于窗口插件 这样特殊功能的大型结构件来说，通过对其制造工艺的调研和试验，窗口插件 概念模型结构主要存在如下制造难点： 1 ) 焊接深度 i t e r 国际组对窗口插件的制造要求包括：窗口插件在制造过程中整体框架 变形 + 5 m m 、真空漏气率低( 5 0 1 0 。1 0 p a m 3 j - 1 ) 等，这就对结构体连接方式提 出了较高要求。i o 建议窗口插件个子部件采用电子束焊接或埋弧焊接连接。根 据目前的结构设计，焊缝深度最浅6 0 m m ，最深达到1 5 0 m m ，这对窗口插件的制 造带来巨大挑战。在进行电子束焊接调研时，目前国内电子束焊接技术相对较 为落后，通过调研国内多家电子束企业，对完成15 0 m m 焊深均表示困难。在国 外完成这样大的焊深也是十分困难。 2 ) 焊接结构复杂 目前设计的窗口插件在进行电子束焊接时，需要焊接部位结构复杂。其中焊 接难度最大的出现在后板上，后板需要焊接部位见图3 15 ，( 红色代表焊缝面) ， 红色部位都是需要焊接的面，而且需要全透焊接。且图3 1 5 中椭圆表示部位焊 缝最深达到1 5 0 m m ，这使得电子束焊接难度大大增加。同时窗口插件底板、基 板和侧板都将在左图红色部位进行焊接连接，由于焊深大( 最小焊接深度大于 6 0 m m ) ，而且在四块板与后板连接焊接时，垂直部位的四条焊缝电子枪将无法 完成焊接，特别在底板和顶板两侧的加强筋部位的4 5 。拐角处电子枪很难进行 焊接，对这种结构设计存在缺陷。 2 6 图3 1 5 后板焊接部位 3 ) 焊缝条数多、变形控制难 窗口插件结构体是由提升法兰、后板、顶板、基板和侧板焊接连接，焊缝 深度从6 0 m m 1 5 0 m m ，焊缝总长度达到2 0 m ，其中后板凸缘板厚度只有4 0 m m ， 但是其两侧分别将跟提升法兰和窗口插件主体进行焊接连接，而焊缝深从 6 0 m m 1 5 0 m m ，使得一次性焊接成功较难且焊接变形难以控制，i t e r 窗口插 件要求窗口插件在制造过程中最大变形 5 m m 这使得焊接难度大大增加。如果 想既能保证较高的焊接质量又能保证窗口插件的变形，就需要对后板焊接部位 结构进行优化。 4 ) 底板和基板设计不合理 概念模型中将窗口插件底板和基板的设计由6 0 m m 厚面板和18 0 m mx 1 8 0 m m 加强筋整体加工设计。这种设计的优点是减少焊缝，但是这种设计的缺 点是使得加t _ n 造较为困难，浪费原材料。由于面板和加强筋厚度差距较大， 按照目前的设计显然设计不是十分合理，需要对结构进行改进。 维护检修 1 ) b s m 板连接处设计不便于窗口插件检修维护 窗口插件b s m 板连接处采用四个连接板与窗口插件主体通过螺栓进行连 接。虽然设计是达到了简化的目的，但是b s m 板重量达到l3 吨之多，而且b s m 板作为第一壁直接面对等离子体，在等离子体破裂和发生垂直位移事件时将有 巨大的电磁力和电磁力矩作用在b s m 板上。通过前面对窗口插件初步部分分 析可知，这种设计不符合要求。另外这种整体螺栓连接后，如果窗口插件内部 诊断设备和仪器需要抽出进行检修时，b s m 板受到的载荷将很容易使得螺栓变 形而无法进行拆检。b s m 板此处的连接设计一直是一个比较困难的问题，需要 进行改进设计。 2 ) 诊断模块框架设计不便于窗口插件检修维护 i t e r 水平诊断窗口插件内部将分别安装软x 射线相机、可见和红外视频 2 7 测量、收集汤姆逊散射测量、氢阿尔法线( 风) 光谱测量四个子诊断模块。为 了便于加工制造采用了模块化的设计，对未来的维护工作提供方便。i t e r 概念 化设计中共分出了三个诊断模块，考虑将把占用空间较小的两个诊断系统合并 安装在一个模块内，通过与基板进行固定安装。在概念设计中考虑将来拆检维 修时抽出整个诊断窗口，打开窗口插件主体顶板后再抽出各个诊断系统进行检 修。但是在加工制造过程中顶板是通过焊接方式与窗口插件主体进行永久性连 接，这种设计在维护时将比较困难。因为在顶板上还有冷却系统管道，当破坏 项板上永久性焊接时可能会破坏其他部件。所以这种设计考虑到将来的维护工 作不是很合理，需要对结构设计进行优化设计。 3 3 2 诊断窗口插件结构改进设计 i t e r 水平诊断窗口插件结构设计将是一个系统性的工程，在设计中必需同 时考虑设计的结构既要满足窗口插件运行的环境，及加工制造问题。另外i t e r 窗口插件未来运行时间大概二十年，在这期间窗1 2 1 插件内部诊断系统一但出现 问题，检修维护也将是十分重要的问题，设计中必须同时考虑将来检修维护的 方便性。i t e r 水平诊断窗口插件前期预研工作包括窗口插件的结构设计和加工 制造预研等，上一节中对i o 提供的概念模型中存在的问题进行了逐一论述。 对设计中存在的问题跟i o 进行交流，结合双方意见提出了窗口插件优化设计 意见： 1 ) 焊接深度调整 概念设计中窗口插件焊接深度达到1 5 0 m m ，从进行r & d 工作焊接试验中 发现国内在电子束焊接方面深度大于8 0 m m 以上就比较困难，通过跟i o 进行 交换意见后将加强筋部位设计进行改进，使得在后板上最大焊接深度小于 8 0 m m 前提是保证窗口插件结构强度，加强筋部位改进设计见图3 1 6 a 原结构b 改进结构 图3 - 1 6 加强筋结构改进 2 ) 焊接部位调整 窗口插件焊接部位最困难的是在后板上，后板上出现的焊缝太多，而且后 板上的凸台使得在垂直面上无法采用电子束进行焊接，电子枪将无法伸到窗口 插件内部焊接凸台垂直面，其次考虑到后板凸台下部厚度太小但是两侧焊缝太 2 8 深，为了使窗口插件结构尽量简化，改进后的后板设计见图3 - 1 7 a 原结构 3 1 7 后板结构改进 b 改进结构 3 ) 结构部件改进 为了减少焊缝数量和提高结构强度，将后板与提升法兰进行整体设计合二 为一，这样既可以避免出现深的焊缝，又可以减少焊缝同时也提高提升法兰的 强度、简化窗口插件结构设计，改进后提升法兰见图3 一l8 。基板和顶板中面板 和加强筋结构差异较大，采用一体化锻造将会大大增长制造难度和制造成 可以将面板和加强筋进行分开设计a n ：i ：，虽然这样的设计会增加焊缝的问 但是一方面面板的厚度为6 0 m m ，采用电子束焊接不是很困难，另一方面 板单独设计可以方便面板内部冷却通道加工。改进后的底板和顶板设计 3 1 9 图3 - 1 8 提升法兰结构改进 2 9 a 原结构b 改进结构 图3 1 9基板和项板结