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ITER超导体检漏真空室的设计与优化

ITER超导体检漏真空室的设计与优化
   国内热核聚变试验堆(简称ITER)方案是由中国、欧盟、美国、俄罗斯、阿曼、韩国、印度七方独特参加、眼前寰球规模最大、莫须有最深长的国内大迷信工事竞争名目之一。ITER方案的指标是要利用氢的同位素氘、氚的聚变反响开释出能量,这一方案的顺利施行将无助于于全人类找到到底克服能源财政危机的步骤。中科院等离子体所承当了ITER名目超导磁体的研制使命,超导磁体在通过绞缆、穿管、缩管等工艺之后还须要继续真空检漏尝试。白文重要说明了超导磁体检漏真空室及其真空机组的设计、优化。1、真空筒构造设计1.1、构造说明
   超导体检漏真空室重要由:上封头、中部筒体、下封头、支持底脚、铆接法兰圈、中部增强筋、及外部环体支持等元件组成,其构造如图1所示。须要真空检漏的超导体为CICC(Cable-in-Conduit-Conductor)构造,长约1000m,截面为54×54mm,将超导体围绕成直径为4m的圆环后放入检漏真空室检漏,因而中筒内径须要4600mm,中筒高低4260mm;上、下封头采纳冷冲压法打造的10%碟形封头,内径4600mm,高低900mm;中部增强筋为110×40mm;鄙人封头内侧铆接了16道增强竖筋和环体支持使下封头匀称受力。整个真空室重约23.5吨,全副采纳304不锈钢资料打造。为满足容器的真空度务求,对打造内中中真空室焊缝的焊透性、平坦度、外部名义晶亮度及密封法兰的立体度和密封槽的名义晶亮度等工艺提出了宽大务求。1.2、真空室壁厚划算
   真空室的理论壁厚S等于划算壁厚S0加上壁厚附加量C
S=S0+C(mm)(1)
   其中划算壁厚公式为:
式中DB———圆筒内径,mm
   P———外压设计压力,MPa
   L———圆筒划算长短,mm
   Et———资料热度为t时的弹性模量,MPa
   真空室壁厚附加量按下式确定:
C=C1+C2+C3(mm)(3)
式中C1———誊写钢版的最大负公差附加量(mm),本设计取C1=0.8
   C2———侵蚀裕度(mm),本设计取C2=1
   C3———封头冲压时的拉伸减薄量,本设计在划算圆筒全体薄厚时取C3=0,在划算封头薄厚时取C3=3mm
   本真空室设计压力P为一个规范大气压,圆筒内径DB为4600mm,总高6300mm,其中高低封头各高900mm,资料常温下的弹性模量Et为2.06×105MPa。由(2)式可知圆筒的划算长短L对壁厚莫须有很大,因而给出了如次两种相反划算长短的构造计划(即是否设置中部增强筋),并别离继续了壁厚划算。
1.2.1、不设置中部增强筋时的壁厚划算
   真空室圆筒中部不设置增强筋时,圆筒的划算长短为L'=4840mm,代入(2)式可划算出圆筒划算壁厚S0':
   由式(3)可划算出附加壁厚为:
C=C1+C2+C3=0.8+1+0=1.8mm(5)
   由(4),(5)式得出不设置增强筋时圆筒的理论壁厚无须为:
S'=S0'+C=17.5+1.8=19.3mm(6)
1.2.2、设置中部增强筋时的壁厚划算
   在圆筒中部设置一道110×40mm环向增强筋后划算长短L"变为2400mm,此时圆筒的划算壁厚S0":
   由(5),(7)可得圆筒的理论壁厚无须为
S"=S0"+C=13.2+1.8=15mm(8)
   采纳中部增强筋后真空室圆筒壁厚可19.3mm缩小到15mm,因而设置中部增强筋的计划比上一计划更优,节俭钢材约2吨。真空室高低封头采纳冷冲压法打造的10%碟形封头,所以运用10%碟形封头要比运用规范扁圆形封头时增多定量,同一内径同一板厚的封头,10%碟形比规范扁圆形封头的下料尺寸小,可节俭资料,划算出封头薄厚为20mm。1.3、基于ANSYS的壁厚优化设计
   咱们晓得为了保障压力容器的保险性,按传统的压力容器设计步骤划算进去的壁厚总是偏大。因而咱们采纳ANSYS无限元综合硬件对整个真空室继续了壁厚优化设计。真空室设计外压:P=0.1MPa资料的弹性模量:Et=2.06×105MPa泊松比:μ=0.3优化指标:经过壁厚的优化设计,使得真空室在满足给定的刚度和强度务求下总分量最小,资料最省。
   咱们给定真空室圆筒的划算壁厚(只思忖受外压莫须有)参考规模为h1∈(7,12)高低封头的划算薄厚参考规模为h2∈(9,15),许用应力[σ]=122MPa。
图1真空室构造图 图2真空室力学多少何模子
   依据真空室的构造和受力特点,采纳轴对称构造继续综合,在容器外壁垂直强加规范大气压力。真空室力学多少何模子如图2所示。选用真空室壁厚h1,h2作为优化变量,σ为优化设计中构造的等效应力强度,其作为一个束缚条件。因而可得真空室壁厚优化设计的数学模子为:
   其中f(X)示意真空室的总分量,X是壁厚h1,h2的因变量。在综合中,咱们关切的是应力沿壁厚的散布法则及大小,故在校核时只有综合沿壁厚某个截面的[σ]即可。将之上多少何模子与数学模子代入ANSYS,即可失去真空室的优化设计壁厚为,h1=8mm,h2=10mm,此时整个真空室的最大应力值为108MPa<[σ]=122MPa,最大应力值涌现在在封头过渡圆内侧。图3为ANSYS划算出的真空室应力求。




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