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-在線瀏覽
2025-08-09 15:56本頁(yè)面
【正文】 MOSANSYS ———— 溫度場(chǎng)的分布及熱應(yīng)力分析 FLUENT ANSYS ABAQUSFLUENT COSMOSANSYS ———— 流體分析 FLUENT ANSYS ABAQUSFLUENT ———— ———— 地震響應(yīng)及疲勞壽命的分析 ———— ———— DYNAN3DNASTRAN ———— DYNAN3DNASTRAN 注：早期建造的托卡馬克裝置如ASDEX等采用的都是使用SAP有限元程序.近年來(lái)，國(guó)外一些大型有限元商業(yè)軟件發(fā)展較快，其中最著名的有NASTRAN，ANSYS，COSMOS等，它們?cè)诠δ堋⑶蠼鈫栴}的規(guī)模以及前后處理方面都有了較大改進(jìn)。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。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(gòu)了流體CAE軟件Pisces International公司，1993年收購(gòu)了著名CAD供應(yīng)廠商Aries Technology公司，1994年 收購(gòu)當(dāng)時(shí)全球第二大CAE公司PDA Engineers，1998年收購(gòu)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件公司Knowledge Revolution，1999年收購(gòu)頂尖高度非線性CAE軟件公司 MARC等，在CAE行業(yè)奠定了無(wú)可爭(zhēng)議的霸主地位。為適應(yīng)中國(guó)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(guó))全國(guó)壓力容器技術(shù)委員會(huì)的嚴(yán)格考核認(rèn)證。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(guó)際上是ASME（美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)）、NQA（美國(guó)核安全局）認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)軟件之一，在中國(guó)也通過了全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的嚴(yán)格考核，成為與中國(guó)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。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)部門中如航天、航海、石化、原子能等廣泛地應(yīng)用它們。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。前者又稱為無(wú)矩理論，后者又稱為有矩理論。殼體中的彎矩效應(yīng)不能忽略，若采用無(wú)矩理論計(jì)算應(yīng)力顯然不合適。在這些地方的焊縫必須消除殘余應(yīng)力，確保焊縫強(qiáng)度。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。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。由于中面形變反映了整個(gè)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(gè)中面形變的偏微分方程來(lái)描述。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。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?jiǎng)偠染仃嚕淹饧釉趩卧系妮d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)的各節(jié)點(diǎn)位移分量（6） 計(jì)算單元應(yīng)力——利用已解得的各節(jié)點(diǎn)位移分量，計(jì)算各單元應(yīng)力根據(jù)以上六個(gè)步驟不斷優(yōu)化網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行計(jì)算即可以求得真空室在外載荷作用下得應(yīng)力、應(yīng)變和位移大小。3 HT7U裝置真空室的結(jié)構(gòu)線性有限元分析為了獲得可靠的工程設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)，HT7U真空室的強(qiáng)度分析是依靠美國(guó)SRAC公司開發(fā)的COSMOS\M和美國(guó)MSC公司開發(fā)的NASTRAN兩大有限元分析程序進(jìn)行計(jì)算的，并通過對(duì)這兩種程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和相互校核，不斷進(jìn)行有限元分析和試設(shè)計(jì)，獲得了許多可靠的數(shù)據(jù)，它可以直接為HT7U真空室的最終設(shè)計(jì)提供依據(jù)。l 幾何模型的建立基于真空室的對(duì)稱性，選取了真空室的1/16段（包括一個(gè)水平窗口、一個(gè)上垂直窗口、一個(gè)下垂直窗口）為分析對(duì)象，真空室及其內(nèi)外殼層之間的筋板位置的相關(guān)幾何尺寸如圖1所示。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。在劃分HT7U真空室模型時(shí)，形狀比較規(guī)則的地方采用自動(dòng)網(wǎng)格，所有節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格的產(chǎn)生都是計(jì)算機(jī)根據(jù)幾何模型的特征自行計(jì)算獲得的，這樣所達(dá)到的計(jì)算精度是足夠的，且運(yùn)算的速度快一點(diǎn)，不容易出錯(cuò)。COSMOS和NASTRAN兩種有限元分析模型如圖2所示。由于HT7U真空室是一種薄殼結(jié)構(gòu)，其壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于部件的整體尺寸，因此在有限元分析時(shí)如果將其視為一般的三維實(shí)體（SOLID）處理，不僅會(huì)增加網(wǎng)格難度，而且由于網(wǎng)格的崎變而不能獲得較為理想的計(jì)算結(jié)果，如果采用板殼單元模型進(jìn)行分析，不僅可以簡(jiǎn)化分析計(jì)算，而且可以獲得更為準(zhǔn)確的分析計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果精度高、收斂快，對(duì)工程設(shè)計(jì)能夠更安全、更保守的參考依據(jù)，為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，COSMOS和NASTRAN分別采用了三結(jié)點(diǎn)三角形單元和四結(jié)點(diǎn)矩形單元進(jìn)行分析計(jì)算。
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