EAST ICRF 天线支撑结构设计与分析_图文

1、第 32卷 第 1期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.32, No.12 0 1 2年 3月Nuclear Fusion and Plasma PhysicsMarch 2012文章编号:02546086(201201006105 收稿日期:20110620; 修订日期:20110922 基金项目:国家 “ 九五 ” 重大科学工程子项目作者简介:杨庆喜 (1980 ,男,江西吉安人,博士,主要从事电物理装置设计与分析。EAST ICRF天线支撑结构设计与分析杨庆喜,宋云涛,史善爽,卞红波,赵燕平(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031摘 要:鉴于 EAST ICRF天

2、线真空密封性和基于实验移动的要求,可移动支撑被设计用来支撑 ICRF 天线 前部重量。 通过理论计算公式对天线支撑结构进行计算, 给出了不同截面尺寸、 不同移动距离下支撑杆应力和变 形情况。 用有限元分析方法进行分析, 分析结果和理论公式计算结果非常相近, 满足设计要求。 计算结果为支撑 杆优化设计提供理论指导,计算方法为同类装置的支撑结构提供有益的借鉴。关键词:EAST ; ICRF 天线;支撑结构;真空密封中图分类号:TL62+4 文献标识码:A1 引言EAST 超导托卡马克装置是目前国际上开展磁 约束高温等离子体聚变实验研究的主要装置之一。 未来将利用 EAST 超导托卡马克装置开展先进

3、的托 卡马克聚变反应堆基础物理问题的实验研究, 实现 1000s 以上稳态、安全、高效的先进运行模式的最 终目标 1。但是要实现此目标必须要发展相应的加 热手段,其中离子回旋共振频率 (ICRF加热是重要 的辅助加热手段之一,它可以直接加热离子或电 子。 离子回旋共振加热首先通过高频发生器产生的 RF 功率经传输系统由发射天线发送给等离子体, 然后在等离子体中激发起等离子体回旋波, 通过波 与等离子体的相互作用, 从而实现等离子体回旋共 振加热 2, 3。由于最新的 EAST ICRF天线为四电流 带极向二元阵天线,前部重量大,因此必须设计一 个支撑结构来支撑天线前部重量。另外, EAST 装

4、 置可进行三种等离子体位形的核聚变物理实验, 即 圆截面位形、 大体积位形和大拉长位形 4 。 若在同 一轮物理实验中需要进行不同等离子体位形的物理实验,就必须调节ICRF 天线在 EAST 径向方向上的位置。因此,天线支撑结构还需保证 ICRF 天 线能够沿着 EAST 径向方向移动。鉴于 ICRF 天线 支撑结构的重要性,在设计过程中,需要对支撑结 构计算和分析。2 ICRF 天线支撑结构设计与计算分析ICRF 天线主要由法拉第屏蔽、电流带、法拉 第屏蔽保护结构、真空传输线、天线箱体、天线支 撑结构、液压驱动结构等重要部件组成,其结构如 图 1所示。图 1 ICRF 天线结构组成62 核聚

5、变与等离子体物理 第 32卷ICRF 天线尾部真空密封分为两部分:一部分 主要通过固定法兰、波纹管、移动法兰和氟橡胶密 封圈通过螺栓紧固密封, 另一部分是真空传输线与 移动法兰通过焊接连接密封。 若整个天线前部没有 支撑结构, 尾部的密封结构很容易由于天线前部重 量作用而受到破坏, 故需要设计一个支撑结构来支 撑天线前部重量。 ICRF 天线支撑结构主要由 4根 支撑杆组成,前端通过螺钉固定在天线箱体上,尾 部也通过螺钉固定在移动法兰上, 支撑杆中部通过 铜套和螺栓安装在固定法兰上, 铜套和支撑杆为间 隙配合, 这样使整个支撑结构在液压驱动作用下能 够沿着 EAST 径向方向移动。另外,由于整

6、个支撑 结构能够支撑 ICRF 天线前部重量,从而避免了 ICRF 天线前部重量承载在 EAST 装置真空窗口上。 ICRF 天线支撑结构如图 2所示。 图 2 ICRF天线支撑结构2.1 ICRF 天线支撑结构计算如图 1所示, ICRF 天线支撑结构对 ICRF 天线 前部起到重要的支撑作用, 若支撑结构强度和刚度 不够,则可能会对尾部密封结构起到破坏作用。因 此需要对 ICRF 天线支撑结构强度和刚度进行计 算,在计算过程中分为三步进行计算,分别为仅考 虑载荷,仅考虑自重,最后进行叠加计算。 通过 ICRF 加热天线的支撑结构图可以看出, 天线前端 4根支撑杆结构相同, 故取一根支撑杆作

7、 为研究对象,支撑杆在天线前部重量和自重作用 下,支撑杆受力模型如图 3所示。根据材料力学的相关原理可知, 常见的弯曲均 为横力弯曲, 即存在正应力的同时也伴随着一定的 切应力,但工程上弯曲应力计算时通常忽略切应 力, 因此该悬臂梁的应力计算主要按照横力弯曲的 正应力公式。横力弯曲时,最大正应力发生在弯矩 最大的截面上 5,有:maxmaxMW=(1 式中, M max 为最大弯矩; W 为抗弯截面系数。当圆 截面直径为 d 时,有:332dW =(2 由于每根支撑杆同时受到天线前部重量 F 和自 重 G 的作用, 为了使计算过程简单明了, 首先对两 种载荷单独作用在支撑杆上分别进行计算, 然

8、后再 将两种情况下的计算结果进行叠加。 图 3 ICRF天线支撑杆受力模型基于支撑杆优化设计的需要, 在对支撑杆应力 和挠度进行计算分析时,首先选择圆截面直径为 60mm 的支撑杆进行计算分析。 根据天线前部重量, 每根支撑杆自重和所承受的力分别为 268.92N 和 2076.75N 。根据材料力学中的静力和力矩平衡原 理, 可以得出天线前部重量作用在支撑杆上的剪力 图和弯矩图,如图 4所示。由图 4可以看出,在 x =0处,截面的弯矩最大 为 M max =FL /2。基于支撑结构参数、式 (1和式 (2可计算得出支撑杆所受的最大应力 max 为 53.86 MPa 。另外,在天线前部重量

9、 F 作用下,支撑杆的 挠度为:3B548FLEI=(3 式中, I 为支撑杆的惯性矩; E 为弹性模量; L 为支第 1期 杨庆喜等:EAST ICRF天线支撑结构设计与分析 63撑杆的长度。 根据支撑杆的结构参数可以计算出每 根支撑杆的挠度 为 2.155mm 。 图 4 ICRF天线支撑杆在天线前部重量作用下的剪力和弯矩图ICRF 天线支撑杆在自重的作用下,通过材料 力学中的静力平衡及力矩平衡方程 (4和 (5可以得 出支撑杆截面上的剪力图和弯矩图,如图 5所示。s ( ( F x q L x = (4 ( ( 2q L x M x L x =(5 图 5 ICRF天线支撑杆在自重作用下

10、的剪力图和弯矩图由图 5可以看出, 在 x =0处截面的弯矩最大且 M max =qL 2/2,根据天线支撑杆的结构参数通过式 (1和式 (2可以计算得出支撑杆所受的最大应力 max =6.98MPa 。另外,在自重作用下支撑杆挠度为:4B 8qL EI= (6根据支撑杆的结构参数可以计算出每根支撑杆的挠度 为 0.33mm 。在单独考虑天线前部重量 F 和支撑杆自重 G 对 ICRF 天线支撑杆作用的两种情况进行应力和挠度 计算时,支撑杆最大应力 (最大弯矩 均出现在 x =0处,最大挠度也均出现在 x =L 处,因此,若同时考 虑天线重量 F 和自重 G 对支撑杆作用时, 此时支撑 的最大

11、应力和挠度应为上述两种计算结果的叠加,其计算结果为 max 60.84=MPa , B 2.485=mm 。根据上述计算公式可知, 支撑杆最大应力和挠 度与天线支撑杆截面直径和长度有关。因此,对 ICRF 天线支撑杆结构进行优化设计,选择不同截 面直径和长度的支撑杆进行应力和挠度计算分析, 计算结果如图 6和图 7所示。图 6 ICRF天线支撑杆应力随支撑杆截面直径和长度的变化情况图 7 ICRF天线支撑杆挠度随支撑杆截面直径和长度的变化情况64 核聚变与等离子体物理 第 32卷根据图 6和图 7计算结果可知, ICRF 天线支 撑杆在相同的长度和相同的力作用下, 支撑杆应力 随着支撑杆截面直

12、径的增大而减小, 支撑杆挠度也 随着支撑杆截面直径的增大而减少。 但是在相同截 面直径和相同的力作用下, ICRF 天线支撑杆上的 应力和挠度均随着支撑杆长度增大而增大。 EAST ICRF 天线支撑杆在原始长度为 1100mm (即固定法 兰支撑点与支撑杆末端之间的距离 ,根据 EAST ICRF 天线移动距离要求,天线支撑杆沿着 EAS 径 向方向伸长长度为 0200mm之间。在此伸长范围 内, ICRF 天线支撑杆截面直径选择 70mm 为最佳。 因为此参数的支撑杆在伸长长度 0200mm 之间, 支撑杆的最大应力均低于 50MPa ,最大挠度小于 2.3mm 即支撑最大变形小于 2.3

13、mm 。 此种情况下的 支撑杆最大应力和挠度相对支撑杆材料的许用应 力 145MPa 和支撑杆许用变形 5mm 均满足要求。 2.2 ICRF 加热天线支撑杆有限元分析为了进一步检验上面计算的合理性和正确性, 用有限元分析的方法对截面直径为为 70mm 的支撑 杆, 长度为 1100mm 进行模拟分析。 在分析过程中, 支撑杆承受载荷为自重与 ICRF 天线前部重量的四 分之一的和。分析结果如图 8所示。如图 8所示,截面直径为 70mm ,长度为 1100 mm 的天线支撑杆在自重和 ICRF 天线前部重量作 用 下 , 其 最 大 应 力 为 35.6MPa, 最 大 变 形 约 为 1.

14、4mm 。此结果与同等条件下通过理论公式计算结 果最大应力 39.8MPa , 最大变形 1.31mm 非常相近, 而且都位于支撑杆的端部。3 结论结合 EAST 装置 ICRF 加热天线的结构设计, 描述了 ICRF 加热天线的关键支撑结构的设计和计 算分析。在计算过程中,通过理论公式分别计算了 不同截面直径, 不同长度情况下支撑杆的应力和变 形情况。根据优化的计算结果,最后确定截面直径 为 70mm 的支撑杆用来支撑 ICRF 天线天线的前部 重量。当 ICRF 天线沿着 EAST 装置径向方向移动 200mm 时, 天线支撑结构的支撑杆最大应力和最大 挠度 (最大变形 分别为 49.5M

15、Pa 和 2.29mm , 均低于 支撑杆材料的许用用应力 145MPa 和许用变形 5mm 的设计要求。 并通过有限元分析的方法在同等条件 下对支撑杆进行了相关的分析, 分析结果与理论公 式计算结果非常相近, 从而验证了理论公式计算方 法和结果的合理性和正确性。ICRF 天线的支撑结构的设计为同类装置的设 计提供参考, 整个支撑结构的计算方法为同类装置 或同类支撑结构提供有益的借鉴。 图 8 ICRF加热天线支撑杆应力云 a 和变形云 b参考文献:1武松涛 . EAST工程概述 R. 合肥 : 中国科学院等离 子体物理研究所 , 2002.2陆志鸿 , 王恩耀 , 曾建尔 , 等 . HL-

16、1M装置离子回旋共 振加热系统及初步实验 J. 核聚变与等离子体物理 , 2000, 20(1: 48.3赵培福 , 陆志鸿 , 曾建尔 , 等 . HL-1M装置的 ICRH 系 统 J. 核聚变与等离子体物理 , 2001, 21(2: 107. 4黄勤超 . EAST位形反演 EFIT 程序 R. 合肥 : 中国科 学院等离子体物理研究所 , 2006.5刘鸿文 . 材料力学 M. 北京 : 高等教育出版社 , 2008. 3.第 1期 杨庆喜等:EAST ICRF天线支撑结构设计与分析 65Design and analysis of the support structure for

17、 EAST ICRF antenna YANG Qing-xi, SONG Yun-tao, SHI Shan-shuang, BIAN Hong-bo, ZHAO Yan-ping (Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science, Hefei 230031Abstract: In view of the vacuum sealing importance and the movable requirement of EAST ICRF antenna, the movable support structure is desi

18、gned to uphold the weight from the fore part of ICRF antenna. Based on the importance of the support structure of ICRF antenna, the calculations for the support structure using the formula have been carried out at first. Results of calculation are shown the stresses and the deformations of the support rod are varied with different section dimension and different length of the support rod. In addition, finite element method (FEM was applied to perform structural analysis for the support rod under the same conditions, results of analysis are very similar to the results of calc