關于ht-7u超導托卡馬克裝置真空室結構的強度分析-文庫吧
2025-06-07 15:56 本頁面
【正文】 化設計等等，可廣泛應用于機械工程、航空工程、土木建筑工程等領域 ，它的最高結點數(shù)有128000個，可以滿足一些復雜結構的有限元分析，曾獲1998年全美機械有限元分析軟件評比第一名。NASTRAN和ANSYS兩個軟件都有近30多年的發(fā)展史，版本也不斷推陳出新，它們也都是世界最著名、最權威、最可靠的大型通用結構有限元分析軟件，價格也相當昂貴。NASTRAN的供應商是MSC公司，總部設在洛衫機，是享譽全球的工程校驗，有限元分析和計算機仿真軟件的供應商，它先后在1989年收購了流體CAE軟件Pisces International公司，1993年收購了著名CAD供應廠商Aries Technology公司，1994年 收購當時全球第二大CAE公司PDA Engineers，1998年收購機構動力學和運動學仿真軟件公司Knowledge Revolution，1999年收購頂尖高度非線性CAE軟件公司 MARC等，在CAE行業(yè)奠定了無可爭議的霸主地位。NASTRAN不僅始終作為美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)飛行器適航證領取的唯一驗證軟件，而且還是中國船級社指定的船舶分析驗證軟件(CCS/CC(1997)118附件)。為適應中國的工業(yè)標準，它作為與壓力容器行業(yè)標準(JB473295)相適應的設計分析軟件，全面通過了(中國)全國壓力容器技術委員會的嚴格考核認證。近些年它在國防、鐵道、核能、電子、石化和工程機械行業(yè)，均有不俗業(yè)績。ANSYS有限公司由John Swanson博士創(chuàng)建于1970年，經(jīng)過30年的發(fā)展和版本的推陳出新，憑借其先進的技術和可靠的質(zhì)量，ANSYS軟件已得到世界諸多行業(yè)的認證，在國際上是ASME（美國機械工程師學會）、NQA（美國核安全局）認證的標準軟件之一，在中國也通過了全國壓力容器標準化委員會的嚴格考核，成為與中國壓力容器行業(yè)標準(JB473295)相適應的設計分析軟件。在HT7U超導托卡馬克裝置真空室結構設計過程中，為了獲得準確的設計依據(jù)，在充分利用我所現(xiàn)有的有限元軟件COSMOS的同時，借助我國航空部門使用的成熟的有限元軟件NASTRAN 對真空室有限元分析進行了詳盡的力學計算和校核。2 薄殼的基本理論及其有限元分析方法隨著工程技術的發(fā)展，人們逐漸認識到板殼結構的優(yōu)越性，因而在現(xiàn)代工程技術部門中如航天、航海、石化、原子能等廣泛地應用它們。板殼力學作為固體力學的一個重要分支就是研究平板和殼體在外力作用下所產(chǎn)生的應力和變形的一門學科，它直接為工程的結構設計提供了有力的理論依據(jù)。HT7U托卡馬克裝置真空室內(nèi)外殼層采用的就是薄殼結構，因為真空室的壁厚遠遠小于真空室的總體結構尺寸。在這種薄殼的理論計算中，可分為兩大類：薄膜理論和彎曲理論。前者又稱為無矩理論，后者又稱為有矩理論。 無矩理論是殼體分析中一種近似理論，它忽略了力矩的存在，殼體上只有沿厚度方向分布均勻的法向力和剪切力，應用十分廣泛，但必須滿足以下條件：（1）薄壁殼體，即 ，當為厚壁殼體時，則不能忽略彎矩的作用（2）殼體的曲率半徑連續(xù)，無突變；壁厚連續(xù)；材料性能連續(xù)（3）作用在殼體上的外載荷包括機械載荷和溫差連續(xù)；不允許承受垂直于殼體的集中力和力矩作用（4）殼體邊界處的支撐為自由支撐，即邊界截面處的轉(zhuǎn)角和法向位移均不受約束；如在殼體邊界處有外力，則此外力應作用在殼體經(jīng)線的切面以內(nèi) HT7U真空室是一個截面為D形的環(huán)體結構，并且焊有大量的垂直和水平窗口，D形截面又是由一段直線段和五段弧連接而成，另外結構在運行時還會受到集中電磁載荷作用，無論從幾何結構型式，載荷情況和支撐條件幾個方面看，都存在這樣或那樣的不連續(xù)。殼體中的彎矩效應不能忽略，若采用無矩理論計算應力顯然不合適。HT7U真空室的實際結構是由圓柱殼和環(huán)形殼拼裝組合而成，當容器受到內(nèi)壓、外壓或集中電磁載荷作用時，在真空室直線段與弧段連接處以及真空室曲面與窗口相貫的地方因為不能相互自由變形而產(chǎn)生局部彎曲，從而引起局部的彎曲應力和薄膜應力，由于這些應力只發(fā)生在連接邊緣，因而又稱為邊緣效應。在這些地方的焊縫必須消除殘余應力，確保焊縫強度。正是由于HT7U真空室屬于開孔非圓截面薄殼結構，開孔應力集中現(xiàn)象明顯，理論上不能完全采用無矩理論方法，求解十分復雜，模型實驗（多為鋼質(zhì)結構）周期長，代價高。只有借助有限元方法考慮彎曲效應采用殼體模型進行分析計算。根據(jù)薄壁結構的特點，在板殼結構力學模型中，可近似地用結構中面形變來描述結構的應力情況。其中α,β,γ為參數(shù)坐標，α,β位于殼體中面的切平面內(nèi)，γ為中面的法線。根據(jù)板殼理論，結構應力應變與中面形變有以下關系： ε01,ε02,ε03是由殼體內(nèi)張力產(chǎn)生的中平面薄膜形變， 是由于殼體受到彎矩和扭矩產(chǎn)生的中平面彎曲形變。由于中面形變反映了整個結構的應力情況，所以空間殼體的應力分析的控制方程可以用六個中面形變的偏微分方程來描述。具體的理論推導可參考相關文獻。在計算中為了方便起見，常用中面位移和中面轉(zhuǎn)角代替中面形變。因此在有限元分析時，每個殼體單元都具有6個自由度，它們分別是三個中面位移UX,UY,UZ和三個中面轉(zhuǎn)角RX,RY,RZ。它的有限元分析方法主要分為以下步驟：（1） 確定計算模型——離散結構，劃分網(wǎng)格（2） 單元分析——假定單元位移函數(shù)，建立單元的節(jié)點力與節(jié)點位移關系式，計算單元剛度矩陣，把外加在單元上的載荷轉(zhuǎn)化為節(jié)點載荷（3） 整體分析——將各單元的剛度矩陣集合形成總剛度矩陣，建立結構各節(jié)點的平衡方程，形成結構的整體方程組[K]{U}= {F}[K] 是結構剛度矩陣, {U}是節(jié)點位移向量， {F}是節(jié)點載荷向量（4） 引進邊界條件——修改結構的平衡方程（5） 解線性代數(shù)方程組——求出結構的各
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