關(guān)于ht-7u超導(dǎo)托卡馬克裝置真空室結(jié)構(gòu)的強度分析-全文預(yù)覽
【正文】 單位：mm 第三種邊界條件下真空室應(yīng)力云圖 第三種邊界條件下真空室應(yīng)力云圖圖 21 真空室在250176?？傮w上說真空室的應(yīng)力水準(zhǔn)是在安全強度范圍內(nèi)，具體的應(yīng)力分析評定和真空室動態(tài)應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析將在另外的報告中給出。C烘烤時產(chǎn)生的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下垂直頸管與底部低剛性支撐的連接處，另外在各窗口與真空室殼層相貫的地方有應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是上、下垂直窗口小半徑端與殼層相貫處。表6剛度系數(shù) N/mm 垂直窗口 水平窗口 底部支撐 X方向 1680 160 146627 Y方向 32 2577 58479 Z方向 1492 2630 1602 將以上這些剛度系數(shù)分別施加到NASTRAN模型相應(yīng)的位置上，就能夠得到如下真空室在不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布情況。C運行時最大應(yīng)力為207Mpa，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在各窗口端面的邊界上以及窗口頸管與殼層相貫的地方，另一種是將所有窗口端面的約束條件解除，應(yīng)力分析結(jié)果如圖18所示，250176。這種熱應(yīng)力有時可能達(dá)到很大的數(shù)值，如果不限制該應(yīng)力大小，足以使真空室發(fā)生破壞，所以真空室的熱應(yīng)力分析非常重要。其結(jié)果如圖116所示。 單位：Kg/cm2 單位：cm 圖 11 壓力硼化水引起的應(yīng)力云圖 圖 12 壓力硼化水引起的位移云圖4．工況4（真空室在由渦流引起的電磁載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力）：由于真空室上的渦流是局部形成閉合回路的，分布在整個真空室的本體上，但對真空室破壞性最強的是作用在真空室窗口附近電磁力。應(yīng)力分布結(jié)果如圖10所示。 波紋管的計算應(yīng)力云圖和位移云圖如圖8所示。 單位：Kg/cm2, r =29mm 圖3 頸管厚為10mm的應(yīng)力分布 圖4 頸管厚為12mm的應(yīng)力分布 單位：Kg/cm2, r =37mm 圖5 頸管厚為10mm的應(yīng)力分布 圖6 頸管厚為12mm的應(yīng)力分布 從以上的計算結(jié)果看，真空室頸管小R的大小對應(yīng)力分布影響較大，如果將R的大小29mm 變成37mm，對應(yīng)的最大應(yīng)力值將下降30%左右，所以建議窗口頸管小R大小的確定，應(yīng)該是在不影響物理診斷或測量裝置的前提下應(yīng)盡可能地大，一方面有利于降低真空室上的應(yīng)力集中值，另一方面也可大大方便窗口頸管與真空室本體的焊接組裝。其具體優(yōu)化結(jié)果如表3所示。表2給出了上垂直窗口、下垂直窗口、水平窗口六個自由度情況。根據(jù)第二章載荷工況的分類，真空室的靜態(tài)載荷有限元分析可分成以下工況進行計算：（詳細(xì)的動態(tài)力學(xué)和結(jié)構(gòu)地震分析參見第七張）(1) 真空室的內(nèi)側(cè)、外側(cè)或夾層等某處真空被破壞后，真空室就會受到大氣壓的不平衡作用，依照各種故障特點分成以下四種情況：A．夾層和內(nèi)側(cè)為大氣，外側(cè)為真空B．夾層和外側(cè)為大氣，內(nèi)側(cè)為真空C．夾層為大氣，內(nèi)外側(cè)為真空D．夾層為真空，內(nèi)外側(cè)為大氣(2) (3) 由于真空室本身及內(nèi)部部件引起的自重(4) 真空室上感應(yīng)渦流與磁場相互作用引起的電磁力(5) 裝置運行時HALO電流與磁場相互作用引起的電磁力(6) 真空室烘烤情況：裝置運行前真空室要進行250176。l 元素組、材料特性和實參數(shù)的定義元素組是用于規(guī)定所使用的元素類型及相關(guān)的選擇；材料特性是用于規(guī)定有限元各節(jié)點單元材料的特性參數(shù)；實參數(shù)是用于規(guī)定在圖上不能標(biāo)明的元素幾何尺寸（如真空室殼體的厚度等）。COSMOS和NASTRAN這兩種程序都有許多劃分網(wǎng)格的方法，如自動網(wǎng)格和映射網(wǎng)格等。以下就是真空室有限元分析的詳細(xì)過程。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。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。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，模型實驗（多為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)）周期長，代價高。 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)。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
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