HT-7U超导托卡马克装置真空室结构的强度分析

HT-7U超导托卡马克装置真空室结构的强度分析

HT-7U真空室及PFC设计组

HT-7U 超导托卡马克装置真空室作为装置的关键部件之一，不仅受到自重、大气压、电动力等作用，还受到250°结构烘烤所产生的热应力，特别是各窗口颈管与真空室壳层以及底部低刚性支撑结构的相贯处的应力分布异常复杂，在结构设计时必须予以考虑。为了使真空室的结构设计安全、可靠，必须根据物理和工程的设计要求，充分考虑工艺生产的难度，通过一些详尽的力学计算，选取合适的真空室壁厚，确定真空室的基本结构。

1．引言

HT-7U真空室结构极其复杂，它是一个截面为D形的双层环体结构，运行时夹层内充有0.2Mpa的硼化水以屏蔽中子，降低中子在超导磁体上的核热沉积和对环境的污染，并且根据物理要求，还开有水平和上下垂直窗口，用于诊断、加热、抽气、充气、冷却等。这样一方面由于结构的连续性被破坏，在窗口颈管与真空室本体连接处将产生较大的附加弯曲应力，另一方面由于器壁材料被削弱，会引起应力增加和容器强度的减弱，在局部连接处出现应力集中，另外加上真空室需要烘烤所产生的热应力，以及等离子体破裂和垂直不稳定事件所产生的电动力，使得真空室的载荷工况极其复杂。对于这样一个结构形状、受力情况和边界条件都十分复杂的真空容器，目前世界上还没有一个统一的标准可以参照，没有一个统一的经验计算公式可参考，传统的计算方法很难对其应力分布和强度情况进行较为准确的分析。只有通过计算机采用有限元方法对其在各种工况下的受力状况进行有限元分析，才能获得较为准确的数据，为工程直接提供参考依据。目前国外的一些大中型在建的超导托卡马克装置如韩国的KATAR、印度的SST-1等都已先后引进了有限元计算这一先进的技术，通过模拟装置各种不同运行工况下的受力情况，分析装置在各种极端载荷下的安全和可靠性能，不断优化结构的工程设计参数，从而为超导托卡马克装置的建造提供了可靠的依据，不仅为工程节省了时间和经费，而且也避免了工程上许多不必要的失误和重复。因此在HT-7U装置的真空室设计过程中引进有限元这一先进技术意义十分重大。

有限元法是五十年代末出现的处理固体力学的一种数值方法，大容量的电子计算机是运用和发展有限元法所必备的工具，在国外由于电子计算机的迅速发展，有限元在各个学科领域的应用相当广泛，一直到七十年代中期，我国才在工程领域开始推广应用有限元法，并不断普及和发展有限元方法和理论。到现在为止，有限元技术已成为大型复杂机械结构强度分析的有力工具。表1给出了国际上几个大型托卡马克装置结构设计时所使用的有限元分析软件情况：

表1 国际上大型托卡马克装置结构设计时所使用的有限元分析软件

KSTAR

SST-1

ITER

TPX

JT-60U

强度分析

ANSYS

ANSYS

ANSYS COSMOS

NASTRAN

IDEAS

COSMOS

ANSYS

NASTRAN

结构屈曲/失稳分析ANSYS

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ANSYS COSMOS

NASTRAN

COSMOS

ANSYS

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温度场的分布及热应力分析FLUENT

ANSYS

ABAQUS

FLUENT

COSMOS

ANSYS

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流体分析

FLUENT

ANSYS

ABAQUS

FLUENT

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地震响应及疲劳寿命的分析

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DYNAN3D

NASTRAN

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DYNAN3D

NASTRAN

注：早期建造的托卡马克装置如ASDEX等采用的都是使用SAP有限元程序.

近年来，国外一些大型有限元商业软件发展较快，其中最著名的有NASTRAN，ANSYS，COSMOS等，它们在功能、求解问题的规模以及前后处理方面都有了较大改进。COSMOS 是由美国SRAC公司开发的面向微型机计算机的大型结构分析软件，其特点是不需要中小型或大型计算机的硬件条件，它可以直接在个人计算机上运行，计算分析成本相对较低，1995年和1996年分别推出了1.75和2.0两个版本，软件售价仅需数千美元。该程序的分析模块包括静力、动力、线性、非线性、振动、疲劳、流场、电磁场、温度场、优化设计等等，可广泛应用于机械工程、航空工程、土木建筑工程等领域，它的最高结点数有128000个，可以满足一些复杂结构的有限元分析，曾获1998年全美机械有限元分析软件评比第一名。NASTRAN和ANSYS两个软件都有近30多年的发展史，版本也不断推陈出新，它们也都是世界最著名、最权威、最可靠的大型通用结构有限元分析软件，价格也相当昂贵。NASTRAN的供应商是MSC公司，总部设在洛衫机，是享誉全球的工程校验，有限元分析和计算机仿真软件的供应商，它先后在1989年收购了流体CAE软件Pisces International公司，1993年收购了著名CAD供应厂商Aries Technology公司，1994年收购当时全球第二大CAE公司PDA Engineers，1998年收购机构动力学和运动学仿真软件公司Knowledge Revolution，1999年收购顶尖高度非线性CAE软件公司MARC等，在CAE行业奠定了无可争议的霸主地位。NASTRAN不仅始终作为美国联邦航空管理局(FAA)飞行器适航证领取的唯一验证软件，而且还是中国船级社指定的船舶分析验证软件(CCS/CC(1997)118附件)。为适应中国的工业标准，它作为与压力容器行业标准(JB4732-95)相适应的设计分析软件，全面通过了(中国)全国压力容器技术委员会的严格考核认证。近些年它在国防、铁道、核能、电子、石化和工程机械行业，均有不俗业绩。ANSYS有限公司由John Swanson博士创建于1970年，经过30年的发展和版本的推陈出新，凭借其先进的技术和可靠的质量，ANSYS 软件已得到世界诸多行业的认证，在国际上是ASME（美国机械工程师学会）、NQA（美国核安全局）认证的标准软件之一，在中国也通过了全国压力容器标准化委员会的严格考核，成为与中国压力容器行业标准(JB4732-95)相适应的设计分析软件。在HT-7U超导托卡马克装置真空室结构设计过程中，为了获得准确的设计依据，在充分利用我所现有的有限元软件COSMOS的同时，借助我国航空部门使用的成熟的有限元软件NASTRAN 对真空室有限元分析进行了详尽的力学计算和校核。

2 薄壳的基本理论及其有限元分析方法