關(guān)于ht-7u超導(dǎo)托卡馬克裝置真空室結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析-文庫吧
2025-06-07 15:56 本頁面
【正文】 化設(shè)計(jì)等等，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航空工程、土木建筑工程等領(lǐng)域 ，它的最高結(jié)點(diǎn)數(shù)有128000個，可以滿足一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析，曾獲1998年全美機(jī)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(quán)威、最可靠的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，價格也相當(dāng)昂貴。NASTRAN的供應(yīng)商是MSC公司，總部設(shè)在洛衫機(jī)，是享譽(yù)全球的工程校驗(yàn)，有限元分析和計(jì)算機(jī)仿真軟件的供應(yīng)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(yīng)廠商Aries Technology公司，1994年 收購當(dāng)時全球第二大CAE公司PDA Engineers，1998年收購機(jī)構(gòu)動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)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(lǐng)取的唯一驗(yàn)證軟件，而且還是中國船級社指定的船舶分析驗(yàn)證軟件(CCS/CC(1997)118附件)。為適應(yīng)中國的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它作為與壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB473295)相適應(yīng)的設(shè)計(jì)分析軟件，全面通過了(中國)全國壓力容器技術(shù)委員會的嚴(yán)格考核認(rèn)證。近些年它在國防、鐵道、核能、電子、石化和工程機(jī)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(jìn)的技術(shù)和可靠的質(zhì)量，ANSYS軟件已得到世界諸多行業(yè)的認(rèn)證，在國際上是ASME（美國機(jī)械工程師學(xué)會）、NQA（美國核安全局）認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)軟件之一，在中國也通過了全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會的嚴(yán)格考核，成為與中國壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB473295)相適應(yīng)的設(shè)計(jì)分析軟件。在HT7U超導(dǎo)托卡馬克裝置真空室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)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(jìn)行了詳盡的力學(xué)計(jì)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(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到板殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，因而在現(xiàn)代工程技術(shù)部門中如航天、航海、石化、原子能等廣泛地應(yīng)用它們。板殼力學(xué)作為固體力學(xué)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(yīng)力和變形的一門學(xué)科，它直接為工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，因?yàn)檎婵帐业谋诤襁h(yuǎn)遠(yuǎn)小于真空室的總體結(jié)構(gòu)尺寸。在這種薄殼的理論計(jì)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(yīng)用十分廣泛，但必須滿足以下條件：（1）薄壁殼體，即 ，當(dāng)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(jī)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(yīng)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)在運(yùn)行時還會受到集中電磁載荷作用，無論從幾何結(jié)構(gòu)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(yīng)不能忽略，若采用無矩理論計(jì)算應(yīng)力顯然不合適。HT7U真空室的實(shí)際結(jié)構(gòu)是由圓柱殼和環(huán)形殼拼裝組合而成，當(dāng)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?yàn)椴荒芟嗷プ杂勺冃味a(chǎn)生局部彎曲，從而引起局部的彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力，由于這些應(yīng)力只發(fā)生在連接邊緣，因而又稱為邊緣效應(yīng)。在這些地方的焊縫必須消除殘余應(yīng)力，確保焊縫強(qiáng)度。正是由于HT7U真空室屬于開孔非圓截面薄殼結(jié)構(gòu)，開孔應(yīng)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(fù)雜，模型實(shí)驗(yàn)（多為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)）周期長，代價高。只有借助有限元方法考慮彎曲效應(yīng)采用殼體模型進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在板殼結(jié)構(gòu)力學(xué)模型中，可近似地用結(jié)構(gòu)中面形變來描述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況。其中α,β,γ為參數(shù)坐標(biāo)，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(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變與中面形變有以下關(guān)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(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，所以空間殼體的應(yīng)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(dǎo)可參考相關(guān)文獻(xiàn)。在計(jì)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(jì)算模型——離散結(jié)構(gòu)，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(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移關(guān)系式，計(jì)算單元剛度矩陣，把外加在單元上的載荷轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的平衡方程，形成結(jié)構(gòu)的整體方程組[K]{U}= {F}[K] 是結(jié)構(gòu)剛度矩陣, {U}是節(jié)點(diǎn)位移向量， {F}是節(jié)點(diǎn)載荷向量（4） 引進(jìn)邊界條件——修改結(jié)構(gòu)的平衡方程（5） 解線性代數(shù)方程組——求出結(jié)構(gòu)的各
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