ITER磁体重力支撑系统的应力强度分析

收稿日期：2008−04−20；修订日期：2008−07−31 作者简介：简广德(1950−)，男，重庆市江北区人，研究员，主要从事等离子体理论和工程结构的数值模拟工作。
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简广德等：ITER 磁体重力支撑系统的应力强度分析
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190481 个。
图 1 重力支撑系统螺栓连接结构的模型图
图 2 重力支撑结构的网格剖分图
−6.80
DIS-I DIS-II DIS-III
C2
−25.73
2.50
−5.35
C3
−33.63
6.79
−9.33
C4
−33.62
3.67
−11.44
3.4 计算工况 磁体支撑结构的计算工况如下： a. 单载荷工况：含螺栓预紧、DW、PC、CD、
TFO、EOB、DIS-I、SL_2等8种工况。 b. 两 种 载 荷 组 合 工 况 ： 包 括 DW+PC 、
DW+CD、DW+TFO、DW+EOB、DW+DIS-I等5种
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工况。 c. 三 种 载 荷 组 合 工 况 ： 包 括 DW+EOB
+VDEII 、 DW+SL_1+DIS-I 、 DW–SL_1 +DIS-I 、 DW+SL_2+DIS-I、DW–SL_2+DIS-I 等 5 种工况。
2.2 模型描述 ITER 装置稳态运行的特点是环向场系统处于
液氦温度状态，环向场磁体重力支撑系统是连接环
向场系统和基座的重要部件。在工作过程中，重力 支撑系统上端处于低温(4K)状态，而下端处于室温 (300K)状态，整个系统从上到下温度由低到高，存 在一个温度梯度。支撑系统的 18 个支撑柱呈圆环 形均匀排列在同一圆周上，主要用于支撑整个环向 场系统和极向场系统的重量以及部分电磁力和热 收缩力。除了在静载荷条件下要有足够的强度、刚 度、稳定性以及抗震性外，还要解决运行时的热负 荷，电磁力以及热胀冷缩引起的热应力所带来的影 响。
文献[1]对重力支撑系统作了有限元结构分析， 在有限元模型中，将结构简化为壳单元，螺栓简化 为梁单元和弹簧单元，并且把由 21 块韧性薄板组 成的结构，简化等效成 5 块韧性薄板。另外，该设 计采用韧性板与上下法兰为焊接工艺，加工显得异 常困难。文献[2，3]给出了壳单元建立模型的应力 分析和模态结果。本文给出的分析结果为螺栓连接 组合模型，该模型比焊接模型加工容易，建造费用 低。在有限元模型中，采用实体单元建立模型，这 更接近于真实模型。
Uz/mm
C1
−1.77
0
−0.10
C2
−1.77
0
−0.10
PC
C3
−2.10
0.05
0.13
C4
−2.10
−0.05
0.13
C1
−29.76 −1.50
−5.13
C2
−29.76
1.50
−5.13
CD
C3
−34.13
1.54
−11.46
C4
−34.13 −1.54
−11.46
C1
−29.93 −1.55
5 有限元应力分析结果
5.1 计算步骤 磁体支撑结构的应力强度分析采用 3.3 节加载
位移条件，计算 PC、CD、TFO、EOB 和 DIS-I 单载荷工况，然后提出上述几种工况在 C1、C2、 C3、C4 节点的反力值，计算组合工况时加载节点 反力值计算。螺栓预紧力如表 4 所示。
SS316LN 用于 TF 线圈支撑腿、韧性板、上下 短板及其法兰，Inconel-718 用于韧性板上下法兰的 连接螺栓，SS304 用于环行支座、支撑柱、梁支撑 及所有其它部件。重力支撑系统材料及力学性能如 表 1 所示。
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核聚变与等离子体物理
第 28 卷
表 1 重力支撑系统材料性能
材 料 温度/K 弹性模量 E/GPa 泊松比 µ
支撑基座(包含上下法兰)是重力支撑系统的关 键组成部件。它由上下压块和 21 块韧性薄板组成， 並由螺栓连接而成。韧性薄板厚 30mm、高 2.3m， 顶部板宽 1.03m、底部板宽 1.5m，板间留有 19mm 缝隙，上下各用 20 块厚 19mm 短板嵌入。这种结 构允许 TF 线圈沿径向移动，同时抵抗环向和垂直 方向的移动，顶端法兰通过有电绝缘键和螺栓的绝 缘薄垫片连接到 TF 腿法兰上，底端压块通过螺栓 连接在支撑环的上表面。该部件采用奥氏不锈钢 SS316LN 制成，对因地震产生的垂直与水平力有足 够的抵抗力。
PC 为磁体系统的预紧载荷所引起的位移，CD 为磁体系统冷却到 4K 引起的位移，TFO、EOB、 DIS-I、DIS-II 和 DIS-III 为各种电磁载荷效应引起 的位移，等效位移值和作用位置分别列于表 2 和图 3 中。
图 3 磁体支撑结构上的等效位移图
表 2 磁体支撑结构上的等效位移值
加载工况 位置(见图 3) Ux/mm Uy/mm
表 3 磁体支撑结构的强度评估条件
部件
材料
温度
极限应力/MPa
/K Level A Level B Level C Level D
螺栓连接件 Inconel-718 80 471 542 589 1100 300 408 469 510 952
80 680
其它部件
SS316LN 300
311
904 1020 1428 413 467 540
第 28 卷 第 4 期 2 0 0 8 年 12 月
核聚变与等离子体物理 Nuclear Fusion and Plasma Physics
文章编号：0254-6086(2008)04-0318-06
Vol.28, No.4 Dec. 2008
ITER 磁体重力支撑系统的应力强度分析
简广德，李鹏远，侯炳林，王爱科
d. 四 种 载 荷 组 合 工 况 ： 包 括 DW+ EOB+SL_1+VDEII、DW+EOB-SL_1+VDEII 等两种 工况。
4 评估标准
4.1 强度评估条件 根据支撑系统的结构、材料及载荷等特点，该
系统中涉及到紧固螺栓采用拉应力进行评估；其它 部件则根据第三强度理论，采用应力强度进行评 估。各部件的应力强度评估条件如表3所示。
2 ITER 重力支撑系统的有限元模型
ITER 重力支撑系统是用于支撑整个环向场线 圈(TF)、中心螺旋管线圈(CS)、外部极向场线圈 (PF)、校正线圈(CC)和真空室系统的重量。该系统 包括 18 个置于每个环向场线圈下外部极向场线圈 之间的垂直重力支撑柱。这 18 个重力支撑柱呈圆
环形均匀排列在同一圆周上，形成多周期对称结
关键词：国际热核聚变试验堆；重力支撑系统；应力分析；韧性板；有限元
中图分类号：TL62+6
文献标识码：A
1 引言
国际热核聚变试验堆(ITER)的重力支撑系统 是 ITER 装置的重要组成部件之一。该部件除了承 受整个托卡马克装置的磁体重力、热应力和电磁力 外，还可能受到强风、地震等多种载荷的作用，在 工作时支撑结构部件之间相互接触，产生振动激 励，辐射出噪声，其情况非常复杂。在重力支撑系 统设计、加工、制造之前，进行一系列相关的结构 性能的应力分析，优化确定该系统的各项基本参 数，评估在各种复杂工况下的应力强度和稳定性 能，论证重力支撑系统理论分析的可靠性及合理性 是十分必要的。
构。图 1 所示为重力支撑系统螺栓连接结构的模型 图，它由韧性板(由 21 块厚 30mm 韧性薄板组成)、 韧性板上下短板(各由 20 块厚 19mm 短板组成)、上 下法兰之间螺栓及韧性板和韧性板上下短板之间 螺栓组成。 2.1 有限元分析实体模型
如图 2 所示，重力支撑系统主要由 TF 线圈腿、 韧性板(由 21 块韧性薄板组成)、支撑环、支撑圆柱 和上下法兰等薄板组成，在有限元模型中采用了实 体元素(SOLID45)，用预紧单元 Pretention179 模拟 螺栓预紧力的作用。总节点数 152355 个，总元素
磁体重力支撑系统为多周期对称结构，最小 旋转周期为 20º，即 1/18。本文采用 20º最小旋转周 期边界条件建立有限元模型，这对多周期对称结构
的重力支撑系统是合适的。在有限元模型中，我们 计算分析了包括磁体重量、热、地震力和电磁力等 载荷以及它们之间组合的多种工况的应力分布及 位移变形。获得的最大应力强度和最大位移均在许 用应力及允许位移范围内。为进一步优化 ITER 重 力支撑系统提供了重要的参考数据。
0.1615MN.m ， 扭 矩 M=0.1461MN.m ， 弯 矩
MT=0.3722MN.m，SL_1=(SL_2)/3。 3.2.3 垂直不稳定载荷
该载荷是由于快速或缓慢切断电流引起的，包 括VDEII和VDEIII。其中VDEII表示每年发生概率 为千分之一，为可能性事件；VDEIII表示每年发生 概率为万分之一，为极端不可能事件。计算时将垂 直 不 稳 定 载 荷 等 效 为 VDE-III 垂 直 力 FVDEIIIAXL =−9.6MN，剪切力FVDEIIITOR=5.6MN，VDE-II=0.75 ×VDE-III。 3.3 加载位移条件[4]
−6.04
C2
−29.93
1.55
−6.04
TFO
C3
−33.86
1.57
−10.40
C4
−33.86 −1.57
−10.40
C1
−27.40 −0.88
−6.64
EOB
C2
−25.89
2.20
−5.49
C3
−33.62
5.69
−9.57
C4
−33.70
2.56
−11.20
C1
−27.47 −0.58
SS304 300 206 274 309 371
4.2 支撑结构极限应力的级别 A 级：正常的载荷条件，对应工况 DW、PC、
TFO、EOB、DIS-I、SL_2、DW+PC、DW+CD、 DW+TFO、DW+EOB、DW+DIS-I。
B 级：可能的载荷条件，对应工况 DW+DIS-II、 DW+EOB+VDE-II 、 DW+SL_1+DIS-I 、 DW-SL_1 +DIS-I。
C 级：不太可能的载荷条件，对应工况 DW+SL_1+DIS-II 、 DW-SL_1+DIS-II 、 DW+EOB +SL_1+VDE-II、DW+EOB-SL_1+VDE-II。
D 级：极端不可能的载荷条件，对应工况 DW+DIS-III、DW+SL_2+DIS-I 和 DW-SL_2+DIS-I。
(核工业西南物理研究院，成都 610041)
摘 要：用 ANSYS 有限元软件，分析了 ITER 重力支撑系统的静力情况。采用实体单元建立有限元模型，
分析了磁体重量、热载荷、地震和电磁力多种工况下的应力分布及位移变形，获得的最大应力强度和最大位移均
在许用应力及允许位移范围内。为进一步优化 ITER 重力支撑系统提供了重要的参考数据。
4
207
0.28
SS316LN
300
1百度文库3
0.291
4
211
0.295
Inconel-718
300
200
0.298
SS304L
300
195
0.29
SS304
300
200
0.3
3 计算载荷、边界条件、计算工况
3.1 支撑系统边界条件 在支撑圆柱的下方，用螺栓与作为刚体的装置
底板完全固定；支撑环两端使用20°最小旋转周期约 束边界条件。 3.2 载荷加载条件[4] 3.2.1 磁体系统重量 DW
磁体由18个支撑结构共同承受100MN的磁体 重力，计算时将该重力等效为在TF腿法兰下方垫片 上的垂向力F=−4.7262MN和力矩M=−0.1513MN。详 情见文献[4]。 3.2.2 地震载荷 SL_1 和 SL_2
地震载荷包括SL_1和SL_2两种，其中SL_1表 示每年发生的概率为千分之一，为可能性事件； SL_2表示每年发生的概率为万分之一，为极端不可 能 事 件 。 地 震 载 荷 等 效 为 ： SL_2 垂 直 力 F=2.6131MN ， 剪 切 力 F=0.8694MN ， 弯 矩 M=
整个支撑基座结构形成大量接触面。这些接触 面包括：TF 腿法兰和韧性板上压块之间接触面、 韧性板下压块和支撑环上表面之间接触面、韧性板 和韧性板上下短板表面之间接触面、上下压块表面 之间接触面，它们均被定义为接触单元。用 TARGE170 和 CONTA174 定义接触对。部件间的 摩擦系数取 0.15。 2.3 重力支撑系统各部件的温度
在韧性薄板下法兰下面的所有部件的温度为 300K，焊接在韧性板侧面距顶端法兰 600mm 距离 处的氦冷管(热锚)温度为 80K，韧性板上法兰处的 温度为 68K，TF 线圈及其线圈间连接结构的温度 为 4K。
实际计算中主要根据上述温度分布情况对各 部件进行强度评定。 2.4 重力支撑系统各部件材料性能