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(更新版)
【正文】 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。C運(yùn)行時(shí)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。其結(jié)果如圖116所示。應(yīng)力分布結(jié)果如圖10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(jì)算結(jié)果看，真空室頸管小R的大小對(duì)應(yīng)力分布影響較大，如果將R的大小29mm 變成37mm，對(duì)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(cè)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。表2給出了上垂直窗口、下垂直窗口、水平窗口六個(gè)自由度情況。l 元素組、材料特性和實(shí)參數(shù)的定義元素組是用于規(guī)定所使用的元素類(lèi)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(diǎn)單元材料的特性參數(shù)；實(shí)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）。以下就是真空室有限元分析的詳細(xì)過(guò)程。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。 無(wú)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(shí)，則不能忽略彎矩的作用（2）殼體的曲率半徑連續(xù)，無(wú)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(gè)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(shí)還會(huì)受到集中電磁載荷作用，無(wú)論從幾何結(jié)構(gòu)型式，載荷情況和支撐條件幾個(gè)方面看，都存在這樣或那樣的不連續(xù)。近些年它在國(guó)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(jī)。到現(xiàn)在為止，有限元技術(shù)已成為大型復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的有力工具。為了使真空室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、可靠，必須根據(jù)物理和工程的設(shè)計(jì)要求，充分考慮工藝生產(chǎn)的難度，通過(guò)一些詳盡的力學(xué)計(jì)算，選取合適的真空室壁厚，確定真空室的基本結(jié)構(gòu)?！秶?guó)學(xué)智慧、易經(jīng)》46套講座《人力資源學(xué)院》56套講座+27123份資料《各階段員工培訓(xùn)學(xué)院》77套講座+ 324份資料《員工管理企業(yè)學(xué)院》67套講座+ 8720份資料《工廠生產(chǎn)管理學(xué)院》52套講座+ 13920份資料《財(cái)務(wù)管理學(xué)院》53套講座+ 17945份資料對(duì)于這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)形狀、受力情況和邊界條件都十分復(fù)雜的真空容器，目前世界上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以參照，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式可參考，傳統(tǒng)的計(jì)算方法很難對(duì)其應(yīng)力分布和強(qiáng)度情況進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析。該程序的分析模塊包括靜力、動(dòng)力、線性、非線性、振動(dòng)、疲勞、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、優(yōu)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(gè)，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(píng)比第一名。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(shí)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(mén)中如航天、航海、石化、原子能等廣泛地應(yīng)用它們。在這些地方的焊縫必須消除殘余應(yīng)力，確保焊縫強(qiáng)度。在計(jì)算中為了方便起見(jiàn)，常用中面位移和中面轉(zhuǎn)角代替中面形變。l 建立有限元模型有限元模型包含有節(jié)點(diǎn)和單元，其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是如何進(jìn)行網(wǎng)格劃分。cm/kgf/s/s/C真空室各部分實(shí)參數(shù)定義如下：真空室內(nèi)外殼體厚度：8mm水平窗口厚度：10mm上垂直窗口厚度：10mm下垂直窗口厚度：15mm內(nèi)外殼層之間筋板厚度：15mm窗口法蘭厚度：30mml 載荷工況： HT7U裝置放電真空室運(yùn)行時(shí)，除了受大氣壓、硼化水壓力和等離子體破裂引起的電磁力作用外，還會(huì)受到由于真空室烘烤或運(yùn)行時(shí)溫度分布不均勻以及局部熱膨脹受到限制而引起的熱應(yīng)力。通過(guò)計(jì)算厚度大小對(duì)真空室與筋板連接處的應(yīng)力強(qiáng)度影響較大，因此為了確定合適的真空室壁厚，選取夾層內(nèi)通壓力硼化水作為優(yōu)化工況，經(jīng)計(jì)算認(rèn)為真空室殼層定為8mm比較合適。最后根據(jù)波紋管位移量，通過(guò)胡克定律K=F/δ，就可得到了波紋管的剛度系數(shù)。其結(jié)果如圖112所示。C運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力分析結(jié)果于壁處理烘烤溫度分布不均勻或受熱膨脹被限制而引起的熱應(yīng)力。 圖19 真空室邊界處剛度計(jì)算有限元模型 通過(guò)垂直窗口頸管、水平窗口頸管和底部支撐有限元計(jì)算的單位變形量可以獲得真空室各窗口端面的在X、Y、Z三個(gè)方向上的剛度系數(shù)，如表6所示。22 / 22
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