關于ht-7u超導托卡馬克裝置真空室結構的強度分析(編輯修改稿)
2025-07-19 15:56 本頁面
【文章內容簡介】 節(jié)點位移分量（6） 計算單元應力——利用已解得的各節(jié)點位移分量，計算各單元應力根據以上六個步驟不斷優(yōu)化網格參數進行計算即可以求得真空室在外載荷作用下得應力、應變和位移大小。然后對計算得結果進行后處理，打印結果數據、繪制應力和位移云圖。3 HT7U裝置真空室的結構線性有限元分析為了獲得可靠的工程設計參考數據，HT7U真空室的強度分析是依靠美國SRAC公司開發(fā)的COSMOS\M和美國MSC公司開發(fā)的NASTRAN兩大有限元分析程序進行計算的，并通過對這兩種程序的計算結果進行分析和相互校核，不斷進行有限元分析和試設計，獲得了許多可靠的數據，它可以直接為HT7U真空室的最終設計提供依據。以下就是真空室有限元分析的詳細過程。l 幾何模型的建立基于真空室的對稱性，選取了真空室的1/16段（包括一個水平窗口、一個上垂直窗口、一個下垂直窗口）為分析對象，真空室及其內外殼層之間的筋板位置的相關幾何尺寸如圖1所示。COSMOS的幾何模型是通過程序中提供的點、線、面體、區(qū)域、輪廓等幾何實體，借助坐標變換，生成真空室的三維幾何模型，NASTRAN幾何模型是先通過UG生成三維CAD圖，然后通過PATRAN轉化為NASTRAN程序中的幾何模型，這些幾何模型實體只是用于產生有限元網格，形成計算模型的輔助工具，有限元的計算并不直接依賴于幾何實體，而是通過單元和節(jié)點來定義的。l 建立有限元模型有限元模型包含有節(jié)點和單元，其中最關鍵的技術就是如何進行網格劃分。COSMOS和NASTRAN這兩種程序都有許多劃分網格的方法，如自動網格和映射網格等。在劃分HT7U真空室模型時，形狀比較規(guī)則的地方采用自動網格，所有節(jié)點網格的產生都是計算機根據幾何模型的特征自行計算獲得的，這樣所達到的計算精度是足夠的，且運算的速度快一點，不容易出錯。而在真空室殼體與窗口相貫的地方，形狀不連續(xù)并且出現突變或，如果仍然采用自動網格，就無法獲得合適的網格，這樣 圖2 真空室的有限元模型只能依靠映射網格，人為地指定真空室與窗口連接處的曲線或曲面上的網格數量及網格大小進行分網，在可能出現應力集中的部位進行網格加密。COSMOS和NASTRAN兩種有限元分析模型如圖2所示。l 元素組、材料特性和實參數的定義元素組是用于規(guī)定所使用的元素類型及相關的選擇；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；實參數是用于規(guī)定在圖上不能標明的元素幾何尺寸（如真空室殼體的厚度等）。由于HT7U真空室是一種薄殼結構，其壁厚遠遠小于部件的整體尺寸，因此在有限元分析時如果將其視為一般的三維實體（SOLID）處理，不僅會增加網格難度，而且由于網格的崎變而不能獲得較為理想的計算結果，如果采用板殼單元模型進行分析，不僅可以簡化分析計算，而且可以獲得更為準確的分析計算結果，鑒于此，真空室的有限元分析采用了薄殼單元，但究竟選用什么形式的薄殼單元計算結果精度高、收斂快，對工程設計能夠更安全、更保守的參考依據，為了驗證這一點，COSMOS和NASTRAN分別采用了三結點三角形單元和四結點矩形單元進行分析計算。真空室所選用的316L不銹鋼的材料特性如下：密度：7961Kg/m3彈性模量：192Gpa泊松比：熱膨脹系數：熱導率： Cal/cm/s/C比熱：+06 Calcm/kgf/s/s/C真空室各部分實參數定義如下：真空室內外殼體厚度：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裝置放電真空室運行時，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，還會受到由于真空室烘烤或運行時溫度分布不均勻以及局部熱膨脹受到限制而引起的熱應力。根據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：（詳細的動態(tài)力學和結構地震分析參見第七張）(1) 真空室的內側、外側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．夾層和內側為大氣，外側為真空B．夾層和外側為大氣，內側為真空C．夾層為大氣，內外側為真空D．夾層為真空，內外側為大氣(2) (3) 由于真空室本身及內部部件引起的自重(4) 真空室上感應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。C的烘烤（夾層內有壓力硼化 水），溫度梯度以及變形受到限制引起的應力(7) 裝置運行時極端危險情況：真空室壁溫維持在100176。C（夾層內有壓力硼化水）， 窗口端面為室溫，溫度梯度以及熱變形受到限制引起的熱應力，同時有渦流和HALO 電流引起的電磁力作用l 邊界條件 HT7U真空室是通過窗口頸管與外真空杜瓦相連的，窗口端面固定在杜瓦壁上，在每個窗口頸管上又焊有特制的焊接波紋管以吸收真空室熱脹冷縮引起的熱變形，底部是通過一個低剛性支撐固定在外杜瓦底座上，由于波紋管的存在，上垂直窗口頸管允許沿垂直方向做一定范圍內的上下移動，水平窗口頸管可以沿水平方向運動，同時由于波紋管本身就是一個彈性構件，窗口波紋管可用加在窗口單元上的等效彈簧邊界元來代替，波紋管在X、Y、Z三個方向上的剛度是通過實驗和理論計算獲得的。另外由于真空室的力學計算是取1/16真空室為研究對象，D形端面是靠施加對稱約束來模擬真實情況，只允許其沿
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