关于HT-7U超导托卡马克装置真空室结构的强度分析(doc 23页).doc

n更多企业学院： 中小企业管理全能版183套讲座+89700份资料总经理、高层管理49套讲座+16388份资料中层管理学院46套讲座+6020份资料国学智慧、易经46套讲座人力资源学院56套讲座+27123份资料各阶段员工培训学院77套讲座+ 324份资料员工管理企业学院67套讲座+ 8720份资料工厂生产管理学院52套讲座+ 13920份资料财务管理学院53套讲座+ 17945份资料销售经理学院56套讲座+ 14350份资料销售人员培训学院72套讲座+ 4879份资料n更多企业学院： 中小企业管理全能版183套讲座+89700份资料总经理、高层管理49套讲座+16388份资料中层管理学院46套讲座+6020份资料国学智慧、易经46套讲座人力资源学院56套讲座+27123份资料各阶段员工培训学院77套讲座+ 324份资料员工管理企业学院67套讲座+ 8720份资料工厂生产管理学院52套讲座+ 13920份资料财务管理学院53套讲座+ 17945份资料销售经理学院56套讲座+ 14350份资料销售人员培训学院72套讲座+ 4879份资料HT-7U超导托卡马克装置真空室结构的强度分析HT-7U真空室及PFC设计组 HT-7U 超导托卡马克装置真空室作为装置的关键部件之一，不仅受到自重、大气压、电动力等作用，还受到250结构烘烤所产生的热应力，特别是各窗口颈管与真空室壳层以及底部低刚性支撑结构的相贯处的应力分布异常复杂，在结构设计时必须予以考虑。为了使真空室的结构设计安全、可靠，必须根据物理和工程的设计要求，充分考虑工艺生产的难度，通过一些详尽的力学计算，选取合适的真空室壁厚，确定真空室的基本结构。1 引言 HT-7U真空室结构极其复杂，它是一个截面为D形的双层环体结构，运行时夹层内充有0.2Mpa的硼化水以屏蔽中子，降低中子在超导磁体上的核热沉积和对环境的污染，并且根据物理要求，还开有水平和上下垂直窗口，用于诊断、加热、抽气、充气、冷却等。这样一方面由于结构的连续性被破坏，在窗口颈管与真空室本体连接处将产生较大的附加弯曲应力，另一方面由于器壁材料被削弱，会引起应力增加和容器强度的减弱，在局部连接处出现应力集中，另外加上真空室需要烘烤所产生的热应力，以及等离子体破裂和垂直不稳定事件所产生的电动力，使得真空室的载荷工况极其复杂。对于这样一个结构形状、受力情况和边界条件都十分复杂的真空容器，目前世界上还没有一个统一的标准可以参照，没有一个统一的经验计算公式可参考，传统的计算方法很难对其应力分布和强度情况进行较为准确的分析。只有通过计算机采用有限元方法对其在各种工况下的受力状况进行有限元分析，才能获得较为准确的数据，为工程直接提供参考依据。目前国外的一些大中型在建的超导托卡马克装置如韩国的KATAR、印度的SST-1等都已先后引进了有限元计算这一先进的技术，通过模拟装置各种不同运行工况下的受力情况，分析装置在各种极端载荷下的安全和可靠性能，不断优化结构的工程设计参数，从而为超导托卡马克装置的建造提供了可靠的依据，不仅为工程节省了时间和经费，而且也避免了工程上许多不必要的失误和重复。因此在HT-7U装置的真空室设计过程中引进有限元这一先进技术意义十分重大。 有限元法是五十年代末出现的处理固体力学的一种数值方法，大容量的电子计算机是运用和发展有限元法所必备的工具，在国外由于电子计算机的迅速发展，有限元在各个学科领域的应用相当广泛，一直到七十年代中期，我国才在工程领域开始推广应用有限元法，并不断普及和发展有限元方法和理论。到现在为止，有限元技术已成为大型复杂机械结构强度分析的有力工具。表1给出了国际上几个大型托卡马克装置结构设计时所使用的有限元分析软件情况：表1 国际上大型托卡马克装置结构设计时所使用的有限元分析软件 KSTAR SST-1 ITER TPX JT-60U 强度分析 ANSYS ANSYS ANSYS COSMOSNASTRANIDEAS COSMOSANSYS NASTRAN 结构屈曲/失稳分析 ANSYS ANSYS COSMOSNASTRAN COSMOSANSYS 温度场的分布及热应力分析 FLUENT ANSYS ABAQUSFLUENT COSMOSANSYS 流体分析 FLUENT ANSYS ABAQUSFLUENT 地震响应及疲劳寿命的分析 DYNAN3DNASTRAN DYNAN3DNASTRAN 注：早期建造的托卡马克装置如ASDEX等采用的都是使用SAP有限元程序.近年来，国外一些大型有限元商业软件发展较快，其中最著名的有NASTRAN，ANSYS，COSMOS等，它们在功能、求解问题的规模以及前后处理方面都有了较大改进。COSMOS是由美国SRAC公司开发的面向微型机计算机的大型结构分析软件，其特点是不需要中小型或大型计算机的硬件条件，它可以直接在个人计算机上运行，计算分析成本相对较低，1995年和1996年分别推出了1.75和2.0两个版本，软件售价仅需数千美元。该程序的分析模块包括静力、动力、线性、非线性、振动、疲劳、流场、电磁场、温度场、优化设计等等，可广泛应用于机械工程、航空工程、土木建筑工程等领域 ，它的最高结点数有128000个，可以满足一些复杂结构的有限元分析，曾获1998年全美机械有限元分析软件评比第一名。NASTRAN和ANSYS两个软件都有近30多年的发展史，版本也不断推陈出新，它们也都是世界最著名、最权威、最可靠的大型通用结构有限元分析软件，价格也相当昂贵。NASTRAN的供应商是MSC公司，总部设在洛衫机，是享誉全球的工程校验，有限元分析和计算机仿真软件的供应商，它先后在1989年收购了流体CAE软件Pisces International公司，1993年收购了著名CAD供应厂商Aries Technology公司，1994年 收购当时全球第二大CAE公司PDA Engineers，1998年收购机构动力学和运动学仿真软件公司Knowledge Revolution，1999年收购顶尖高度非线性CAE软件公司 MARC等，在CAE行业奠定了无可争议的霸主地位。NASTRAN不仅始终作为美国联邦航空管理局(FAA)飞行器适航证领取的唯一验证软件，而且还是中国船级社指定的船舶分析验证软件(CCS/CC(1997)118附件)。为适应中国的工业标准，它作为与压力容器行业标准(JB4732-95)相适应的设计分析软件，全面通过了(中国)全国压力容器技术委员会的严格考核认证。近些年它在国防、铁道、核能、电子、石化和工程机械行业，均有不俗业绩。ANSYS有限公司由John Swanson博士创建于1970年，经过30年的发展和版本的推陈出新，凭借其先进的技术和可靠的质量，ANSYS软件已得到世界诸多行业的认证，在国际上是ASME（美国机械工程师学会）、NQA（美国核安全局）认证的标准软件之一，在中国也通过了全国压力容器标准化委员会的严格考核，成为与中国压力容器行业标准(JB4732-95)相适应的设计分析软件。在HT-7U超导托卡马克装置真空室结构设计过程中，为了获得准确的设计依据，在充分利用我所现有的有限元软件COSMOS的同时，借助我国航空部门使用的成熟的有限元软件NASTRAN 对真空室有限元分析进行了详尽的力学计算和校核。2 薄壳的基本理论及其有限元分析方法随着工程技术的发展，人们逐渐认识到板壳结构的优越性，因而在现代工程技术部门中如航天、航海、石化、原子能等广泛地应用它们。板壳力学作为固体力学的一个重要分支就是研究平板和壳体在外力作用下所产生的应力和变形的一门学科，它直接为工程的结构设计提供了有力的理论依据。HT-7U托卡马克装置真空室内外壳层采用的就是薄壳结构，因为真空室的壁厚远远小于真空室的总体结构尺寸。在这种薄壳的理论计算中，可分为两大类：薄膜理论和弯曲理论。前者又称为无矩理论，后者又称为有矩理论。 无矩理论是壳体分析中一种近似理论，它忽略了力矩的存在，壳体上只有沿厚度方向分布均匀的法向力和剪切力，应用十分广泛，但必须满足以下条件：（1）薄壁壳体，即 ，当为厚壁壳体时，则不能忽略弯矩的作用（2）壳体的曲率半径连续，无突变；壁厚连续；材料性能连续（3）作用在壳体上的外载荷包括机械载荷和温差连续；不允许承受垂直于壳体的集中力和力矩作用（4）壳体边界处的支撑为自由支撑，即边界截面处的转角和法向位移均不受约束；如在壳体边界处有外力，则此外力应作用在壳体经线的切面以内 HT-7U真空室是一个截面为D形的环体结构，并且焊有大量的垂直和水平窗口，D形截面又是由一段直线段和五段弧连接而成，另外结构在运行时还会受到集中电磁载荷作用，无论从几何结构型式，载荷情况和支撑条件几个方面看，都存在这样或那样的不连续。壳体中的弯矩效应不能忽略，若采用无矩理论计算应力显然不合适。HT-7U真空室的实际结构是由圆柱壳和环形壳拼装组合而成，当容器受到内压、外压或集中电磁载荷作用时，在真空室直线段与弧段连接处以及真空室曲面与窗口相贯的地方因为不能相互自由变形而产生局部弯曲，从而引起局部的弯曲应力和薄膜应力，由于这些应力只发生在连接边缘，因而又称为边缘效应。在这些地方的焊缝必须消除残余应力，确保焊缝强度。正是由于HT-7U真空室属于开孔非圆截面薄壳结构，开孔应力集中现象明显，理论上不能完全采用无矩理论方法，求解十分复杂，模型实验（多为钢质结构）周期长，代价高。只有借助有限元方法考虑弯曲效应采用壳体模型进行分析计算。根据薄壁结构的特点，在板壳结构力学模型中，可近似地用结构中面形变来描述结构的应力情况。其中,为参数坐标，,位于壳体中面的切平面内，为中面的法线。根据板壳理论，结构应力应变与中面形变有以下关系： 01,02,03是由壳体内张力产生的中平面薄膜形变， 是由于壳体受到弯矩和扭矩产生的中平面弯曲形变。由于中面形变反映了整个结构的应力情况，所以空间壳体的应力分析的控制方程可以用六个中面形变的偏微分方程来描述。具体的理论推导可参考相关文献。在计算中为了方便起见，常用中面位移和中面转角代替中面形变。因此在有限元分析时，每个壳体单元都具有6个自由度，它们分别是三个中面位移UX,UY,UZ和三个中面转角RX,RY,RZ。它的有限元分析方法主要分为以下步骤：（1） 确定计算模型离散结构，划分网格（2） 单元分析假定单元位移函数，建立单元的节点力与节点位移关系式，计算单元刚度矩阵，把外加在单元上的载荷转化为节点载荷（3） 整体分析将各单元的刚度矩阵集合形成总刚度矩阵，建立结构各节点的平衡方程，形成结构的整体方程组KU= FK 是结构刚度矩阵, U是节点位移向量， F是节点载荷向量（4） 引进边界条件修改结构的平衡方程（5） 解线性代数方程组求出结构的各节点位移分量（6） 计算单元应力利用已解得的各节点位移分量，计算各单元应力根据以上六个步骤不断优化网格参数进行计算即可以求得真空室在外载荷作用下得应力、应变和位移大小。然后对计算得结果进行后处理，打印结果数据、绘制应力和位移云图。3 HT-7U装置真空室的结构线性有限元分析为了获得可靠的工程设计参考数据，HT-7U真空室的强度分析是依靠美国SRAC公司开发的COSMOSM和美国MSC公司开发的NASTRAN两大有限元分析程序进行计算的，并通过对这两种程序的计算结果进行分析和相互校核，不断进行有限元分析和试设计，获得了许多可靠的数据，它可以直接为HT-7U真空室的最终设计提供依据。以下就是真空室有限元分析的详细过程。l 几何模型的建立基于真空室的对称性，选取了真空室的1/16段（包括一个水平窗口、一个上垂直窗口、一个下垂直窗口）为分析对象，真空室及其内外壳层之间的筋板位置的相关几何尺寸如图1所示。COSMOS的几何模型是通过程序中提供的点、线、面体、区域、轮廓等几何实体，借助坐标变换，生成真空室的三维几何模型，NASTRAN几何模型是先通过UG生成三维CAD图，然后通过PATRAN转化为NASTRAN程序中的几何模型，这些几何模型实体只是用于产生有限元网格，形成计算模型的辅助工具，有限元的计算并不直接依赖于几何实体，而是通过单元和节点来定义的。l 建立有限元模型有限元模型包含有节点和单元，其中最关键的技术就是如何进行网格划分。COSMOS和NASTRAN这两种程序都有许多划分网格的方法，如自动网格和映射网格等。在划分HT-7U真空室模型时，形状比较规则的地方采用自动网格，所有节点网格的产生都是计算机根据几何模型的特征自行计算获得的，这样所达到的计算精度是足够的，且运算的速度快一点，不容易出错。而在真空室壳体与窗口相贯的地方，形状不连续并且出现突变或，如果仍然采用自动网格，就无法获得合适的网格，这样 图2 真空室的有限元模型只能依靠映射网格，人为地指定真空室与窗口连接处的曲线或曲面上的网格数量及网格大小进行分网，在可能出现应力集中的部位进行网格加密。COSMOS和NASTRAN两种有限元分析模型如图2所示。l 元素组、材料特性和实参数的定义元素组是用于规定所使用的元素类型及相关的选择；材料特性是用于规定有限元各节点单元材料的特性参数；实参数是用于规定在图上不能标明的元素几何尺寸（如真空室壳体的厚度等）。由于HT-7U真空室是一种薄壳结构，其壁厚远远小于部件的整体尺寸，因此在有限元分析时如果将其视为一般的三维实体（SOLID）处理，不仅会增加网格难度，而且由于网格的崎变而不能获得较为理想的计算结果，如果采用板壳单元模型进行分析，不仅可以简化分析计算，而且可以获得更为准确的分析计算结果，鉴于此，真空室的有限元分析采用了薄壳单元，但究竟选用什么形式的薄壳单元计算结果精度高、收敛快，对工程设计能够更安全、更保守的参考依据，为了验证这一点，COSMOS和NASTRAN分别采用了三结点三角形单元和四结点矩形单元进行分析计算。真空室所选用的316L不锈钢的材料特性如下：密度：7961Kg/m3弹性模量：192Gpa泊松比：0.3热膨胀系数：0.18E-04/ Centigrade热导率：0.039 Cal/cm/s/C比热：0.12E+06 Calcm/kgf/s/s/C真空室各部分实参数定义如下：真空室内外壳体厚度：8mm水平窗口厚度：10mm上垂直窗口厚度：10mm下垂直窗口厚度：15mm内外壳层之间筋板厚度：15mm窗口法兰厚度：30mml 载荷工况： HT-7U装置放电真空室运行时，除了受大气压、硼化水压力和等离子体破裂引起的电磁力作用外，还会受到由于真空室烘烤或运行时温度分布不均匀以及局部热膨胀受到限制而引起的热应力。根据第二章载荷工况的分类，真空室的静态载荷有限元分析可分成以下工况进行计算：（详细的动态力学和结构地震分析参见第七张）(1) 真空室的内侧、外侧或夹层等某处真空被破坏后，真空室就会受到大气压的不平衡作用，依照各种故障特点分成以下四种情况：A夹层和内侧为大气，外侧为真空B夹层和外侧为大气，内侧为真空C夹层为大气，内外侧为真空D夹层为真空，内外侧为大气(2) 夹层内通0.2MPa的硼化水(3) 由于真空室本身及内部部件引起的自重(4) 真空室上感应涡流与磁场相互作用引起的电磁力(5) 装置运行时HALO电流与磁场相互作用引起的电磁力(6) 真空室烘烤情况：装置运行前真空室要进行250C的烘烤（夹层内有压力硼化 水），温度梯度以及变形受到限制引起的应力(7) 装置运行时极端危险情况：真空室壁温维持在100C（夹层内有压力硼化水）， 窗口端面为室温，温度梯度以及热变形受到限制引起的热应力，同时有涡流和HALO 电流引起的电磁力作用l 边界条件 HT-7U真空室是通过窗口颈管与外真空杜瓦相连的，窗口端面固定在杜瓦壁上，在每个窗口颈管上又焊有特制的焊接波纹管以吸收真空室热胀冷缩引起的热变形，底部是通过一个低刚性支撑固定在外杜瓦底座上，由于波纹管的存在，上垂直窗口颈管允许沿垂直方向做一定范围内的上下移动，水平窗口颈管可以沿水平方向运动，同时由于波纹管本身就是一个弹性构件，窗口波纹管可用加在窗口单元上的等效弹簧边界元来代替，波纹管在X、Y、Z三个方向上的刚度是通过实验和理论计算获得的。另外由于真空室的力学计算是取1/16真空室为研究对象，D形端面是靠施加对称约束来模拟真实情况，只允许其沿径向运动，不允许其沿大环方向运动。表2给出了上垂直窗口、下垂直窗口、水平窗口六个自由度情况。“0”表示固定，“1”表示自由。表2 X方向 Y方向 Z方向 XOY面 XOZ面 YOZ面 上垂直窗口 0 1 0 0 0 0 下垂直窗口 0 1 0 0 0 0 水平窗口 0 0 1 0 0 0 D形端面（1） 1 1 0 0 0 0 D形端面（2） 1 1 0 0 0 0 l 真空室的有限元分析一HT-7U真空室主要参数的优化与选择（1）真空室厚度的优化真空室壳层厚度不仅直接影响到真空室各项力学和物理性能，而且关系着整个装置的工程造价。通过计算厚度大小对真空室与筋板连接处的应力强度影响较大，因此为了确定合适的真空室壁厚，选取夹层内通压力硼化水作为优化工况，经计算认为真空室壳层定为8mm比较合适。其具体优化结果如表3所示。表3工况 真空室内外层壁厚 最大应力 最大位移 夹层通硼化水内外侧为真空真空室上有电动力和HALO电流产生的作用力(硼化水压力0.2Mpa) 6mm 173MPa 0.97mm 7mm 147 MPa 0.73mm 8mm 83.2 MPa 0.63mm 10mm 58.1 MPa 0.57mm （2）上垂直窗口颈管厚度的计算 由于上垂直窗口颈管较长，当真空室夹层和内侧为大气，外侧为真空时，窗口中间部分的应力值往往会超过材料的许用应力，且应力集中，为了对这部分的情况有进一步的了解，减少网格划分引起的不必要的误差，需要单独取出窗口部分，细化网格进行计算。考虑到上垂直窗口很长并且是焊接在真空室本体上，真空室本体刚性又较好，因此可将真空室与颈管相连的地方视为全固定约束边界来进行计算。 结果如图3、4、5、6所示。 单位：Kg/cm2, r =29mm 图3 颈管厚为10mm的应力分布 图4 颈管厚为12mm的应力分布 单位：Kg/cm2, r =37mm 图5 颈管厚为10mm的应力分布 图6 颈管厚为12mm的应力分布 从以上的计算结果看，真空室颈管小R的大小对应力分布影响较大，如果将R的大小29mm 变成37mm，对应的最大应力值将下降30%左右，所以建议窗口颈管小R大小的确定，应该是在不影响物理诊断或测量装置的前提下应尽可能地大，一方面有利于降低真空室上的应力集中值，另一方面也可大大方便窗口颈管与真空室本体的焊接组装。二波纹管刚度及应力计算 真空室窗口颈管上的波纹管是采用厚度为1mm的不锈钢板压制成型后焊接而成，具体的制作过程详见第九章。为了获得该种非标结构的波纹管的刚度系数和应力分布情况，建立了含有5个波的焊接波纹管结构有限元模型，并沿垂直方向分别施加单位（1N/mm2）的载荷，模型采用板壳单元进行网格划分和有限元分析的。最后根据波纹管位移量，通过胡克定律K=F/，就可得到了波纹管的刚度系数。 波纹管的计算应力云图和位移云图如图7、8所示。 图7 波纹管应力云图（单位：MPa） 图8 波纹管位移云图 （单位：mm） 波纹管的计算结果如表4所示。表4波纹管波数 垂直压力 变形量 最大应力 刚度 5 9294N 2.94mm 157MPa 320N/mm 三真空室静态有限元力学分析结果 根据真空室的结构尺寸，并将材料参数和结构的优化结果定义成真空室有限元分析模型的实参数，就可以得到真空室在各种工况下的应力分布情况。1工况1（自重引起的应力）：最大应力是7.9Mpa，主要出现在下垂直窗口颈管与真空室壳层和底部支撑相贯的地方，最大位移是0.116mm出现在上垂直窗口。应力分布结果如图9、10所示。 单位：Kg/cm2 单位：cm 图 9 自重引起的应力云图 图 10 自重引起的位移云图2工况2（大气压作用引起的应力）：这种工况又可分成四种不同的工况，其结果如表5所示。表5工况分类 最大应力值 最大位移量 位置 大小 (Mpa) 位置 大小(mm) 夹层为大气内外侧为真空 水平窗口与壳体连接处 41.3 水平喇叭窗口侧面 0.225 夹层内侧为大气外侧为真空 水平窗口颈管侧面上 135.3 窗口颈管侧面上 3.3 夹层外侧为大气内侧为真空 水平窗口颈管侧面上 135.2 窗口颈管侧面上 3.3 内外侧为大气夹层为真空 筋板与壳体 连接处 43.7 真空室D型端面处 0.226 3工况3（夹层内通压力硼化水引起的应力）：当夹层内通0.2MPa压力硼化水时，真空室上产生的最大应力为82.7Mpa，出现在真空室内外层与筋板连接的地方，最大位移为0.452mm，出现在筋板、真空室壳层与水平窗口颈管相贯的地方。其结果如图11、12所示。 单位：Kg/cm2 单位：cm 图 11 压力硼化水引起的应力云图 图 12 压力硼化水引起的位移云图4工况4（真空室在由涡流引起的电磁载荷作用下产生的应力）：由于真空室上的涡流是局部形成闭合回路的，分布在整个真空室的本体上，但对真空室破坏性最强的是作用在真空室窗口附近电磁力。真空室在这种电磁载荷作用下产生的最大应力为59.7Mpa，出现在下垂直窗口颈管与真空室壳层相贯的地方，最大位移为0.78mm，出现在真空室的上窗口端。其结果如图13、14所示。5工况5（真空室在由HALO电流引起的电磁载荷作用下产生的应力）：这种工况下的应力分析基本同工况4相同，HALO电流引起的电磁载荷主要集中在下垂直窗口附近，由于该电磁载荷作用，真空室上产生的最大应力为16.5Mpa，出现在下垂直窗口颈管小半径端与真空室壳层相贯的地方，最大位移为0.179mm，出现在下垂直窗口颈管上。其结果如图15、16所示。 单位：Kg/cm2 单位：cm 图 13 涡流电磁力引起的应力云图 图 14涡流电磁力引起的位移云图 单位：Kg/cm2 单位：cm图 15 HALO流电磁力引起的应力云图 图 16 HALO流电磁力引起的位移云图四真空室热应力分析结果HT-7U真空室除了受自重、大气压、硼化水压和电磁载荷等作用力外，还受到由 单位：Kg/cm2 单位：Kg/cm2 第一种边界条件下真空室应力云图 第二种边界条件下真空室应力云图图 17 真空室在250C烘烤时的应力分析结果 单位：Kg/cm2 单位：Kg/cm2 第一种边界条件下真空室应力云图 第二种边界条件下真空室应力云图图 18 真空室在100C运行时的应力分析结果于壁处理烘烤温度分布不均匀或受热膨胀被限制而引起的热应力。这种热应力有时可能达到很大的数值，如果不限制该应力大小，