“神光Ⅲ”装置靶场结构设计

图 １ 装 置 靶 场 整 体 结 构 图
图 ２ 装 置 靶 场 整 体 有 限 元 模 型
应 用 以 Ｐ ｏＥ 三 维 设 计 软 件 为 平 台 的虚 拟 现 实 技 术 的漫 游 和 虚 拟 装 配 等 手 段 可直 观 反 映大 型 ｒ／ 场 景下 的 内部 细微 结 构 ，以验 证 靶 场 复 杂 结构 设 计 的 可行 性 。靶 场 实 验 室 的 洁净 度 为 １ ００ ０级 ， ０ ０
满 足 了光 学 元件 在 线 安 装 和 维 护 的 洁净 要 求 。完 成 了真 空 靶 室 及 其支 撑 系 统 （见 图 ４ ）的 布局 优 化
设 计 、加 工 制 造 、 安装 调 试 全 流 程 的 设 计 ，解 决 了靶 室 超 高稳 定 性 、 精 密 性 以及 高真 空 气 密 性 等
而 光传 输 系 统 的 内部 洁 净 度 为 １０ 级 ，如 何 在 不 破 坏 系 统 内部 洁 净度 的情 况 下 完 成光 学 元 件 的在 ０ 线 安装 和 更 换 ， 是 以往 国 内 同类 装 置 中 没 有 很 好 解 决 的 问 题 。作 为靶 场 关 键 系 统 之 一 的 真 空 靶 室
场 总 体 结 构 优 化 。最 终 ，每 条 光 束 的 弹着 点漂 移 都 控 制 在 了 １ ． ｐ 以 内， 而 且最 小 的 裕度 值 达 ２９ ｍ 到 了 １３ ． 。利用 桌 面 ＶＲ 系统 对 工 程 设 计 进行 了快 速 验 证 ，验 证 了靶 场 总 体布 局 设计 、靶 场 光传 输 系 统 （见 图 ３ ）以及靶 场 大 口径 反射 镜 模 块 在 线 虚 拟 装配 的合 理 性 和 可行 性 。确 立 了 ５０ ０级 小 时 ０ 的 洁 净 设 计和 维 护 准 则 ，实 现 了 ２ ６ 块 反 射 镜 模 块 的快 速 拆 装 和 精 确 复 位 ， 从 结 构和 流 程 设计 上 ７
日 ｉ ｃｃ ０． 工４ 陈 ｈｒ ８ｏ 程ｎ ｇ １ ６ 师 — ８ ４ ２ 刚 ＠ ８ ｓ ２ ｎ ａ ６
“ 光 Ｉ ＂装 置靶 场 结构 设 计 神 Ｉ Ｉ
“ 光Ｉ 神 Ⅱ”主 机 装 置 作 为 世 界 第 三 大 Ｉ Ｆ激 光装 置 ，其 靶 场 具 有 光 路 排 布 复 杂 、物 理 诊 断设 备 Ｃ 多 和 结 构 庞 大 、 繁 多 及 空 问 复 杂 等 特 点 。如 何 满 足 靶 场 中数 以百 计 的光 学 元 件 极 为 苛 刻 的 微 米 级 稳 定 性 要 求 ，合 理 设 计 结 构 空 间布 局 保 证 具 有 百 级 洁 净 度 要 求 光 学 元 件 的 在 线 安 装 和 更 换 ， 以及 超 大 尺 度 铝 制 真 空 靶 室 、 巨型 钢 结 构 光 学 平 台一 编 组 站 等 单 元 结构 设 计 都 是 装 置 靶 场 系 统 结构 设 计 的 关键 。我 们 采 用 靶 场 总体 稳 定性 分 析 、 维 设 计及 虚 拟 仿 真 技 术 、 块 化 、 件 化 等 设 计 方 法 ， 三 模 插 完成 了 “ 光 Ｉ ”主 机 装 置 的靶 场 结构 设 计 。 神 Ｉ Ｉ 靶 场 建 筑 面 积 约 为 ４ ３ ５ｍ￣ ５ｍ，高 度 约 为 ３ ２ｍ，主 要 由物 理 试验 区和 光 束 编 组 站 两 大 部 分组 成 。 除 了建 筑 结 构 外 ，靶 场 的主 要 结 构 包 括 ：直 径 ６１ Ｉ的真 空靶 室 、光 束 传 输 系 统 （包 括 编 组站 Ｔ 支 撑 刚架 、２ ０ 余 套 反 射镜 支 撑架 以及 数 千 米 洁 净 光 管 道 系 统 ） 终端 光 学 组 件 、靶 瞄准 定位 系 统 ０ 、 和辅助系统等。 根 据 主 机光 路 特 点及 物 理 要 求 ，靶 场 中的 支 撑 结 构 多 为 高塔 结构 （见 图 １ ，例 如 总 质 量 超 过 ） １ ｇ 靶 室及 其 上 负载 支 撑 在 高 达 １ 的 支撑 结构 上 ， 分 反射 镜 支撑 在 ２ 的钢 结 构 平 台上 ， ０ｋ 的 ５ｍ 部 ８ｍ 这 些 都 给 靶 场 结 构 的稳 定 性 设 计 带 来 巨 大 的挑 战 。在 靶 场 总 体 结 构 设 计 中 ，充 分 利 用 了建 筑 混 凝 土 结 构 的 高模 态 阻 尼 的特 点 ，利 用 建 筑 结 构对 靶 室 和 编 组 站 刚 架 进 行 横 向支 撑 ，尽 可 能提 高 支 撑 结 构 的基 频 ，并 采 用 约 束 阻尼 技 术 以增 加 结 构 的 能量 耗 散 ，减 小 结 构 的 动 力 学 响应 值 。包 括 建筑
是 国 内最 大 的 同类 结 构 ，对 结 构 的 稳 定 性 、 真 空 气 密 性 、法 兰 对 心 和 整 体 安 装 的精 确 性 等 都 有 较
高要 求 。 由于 运 输 能 力 和 铝 板 材 产 能 的 限 制 ，真 空靶 室 两 个 半 球 之 间 的 焊 接 及 后 续 开 孔 和 法 兰 焊 接 工 序 都 必须 在 现 场 完 成 ，且 其 安 装 调试 流 程 还 要 与 实验 室建 设 耦 合 。 经 过 历 时 大 半 年 的 结 构 设 计 和 力 学 分 析 的迭 代 ，确 定 了靶 场 结 构 稳 定 设 计 准 则 及 其 总 体 稳 定 性 评 估 方 法 ，完 成 了包 括 靶 室 壁 厚 、编 组 站 钢 结构 截 面 参 数 、 反 射 镜 支 撑 架 和 建 筑 结 构 在 内 的靶
结 构 在 内的靶 场 整 体 结 构 有 限 元模 型如 图 ２所 示 ，求解 规模 大 （自由度 数 约 ４８ １ 。在 建 模 过程 ．× ０１结 构 足 够 的 细 节 ，又 应 充 分考 虑 合 理 的模 型 简 化 、边 界 条 件 和 不 同 结构 之 间 的联 接 关 系 。