毕业论文范文——ITER校正场线圈氦冷却管焊接数值模拟

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1、西安航空职业学院毕业论文ITER校正场线圈氦冷却管焊接数值模拟姓名：专业： 航空电子班级：完成日期：指导教师:摘要国际热聚变试验堆（ITER）校正场线圈（CC）氦冷却管和铠装电缆导体（CICC）铠甲焊接时，需控制超导缆的温度不高于250℃，以免影响其超导性能。本文利用焊接有限元分析软件SYSWELD模拟了三种方案下氦冷却管和CICC铠甲焊接的温度场变化，在理论上找到了合理的焊接工艺参数，在此基础上进行了相应的焊接试验。试验结果和模拟结果的趋势较为吻合，证明了有限元分析的正确性，为ITER多种类似结构的预焊接工艺制定提供了依据；同时，通过不同方案的对比得到

2、了最优焊接方案。关键词焊接数值模拟ITER氦冷却管SYSWELD国际热核聚变试验堆（InternationalThermonuclearExperimentalReactor，ITER）校正场线圈（CorrectionCoils，CC）用于补偿ITER内部由于制造误差、安装误差、变形误差及其他误差引起的磁场分布误差，由6个Top线圈、6个Side线圈和6个Bottom线圈组成[1]，Side线圈的局部结构如图1所示。线圈内部采用铠装电缆导体（Cable-in-ConduitConductor，CICC）结构，其中的NbTi超导体运行于10kA电流、4.2

3、K温度下[2]。氦冷却管是超导体和提供低温环境的液氦管路的连接部分。图1Side线圈局部结构图2氦冷却管和CICC结构Fig.1LocalstructureofSideCCFig.2StructureofHe-inletandCICCCICC由铠甲、花包层和NbTi超导体组成。氦冷却管和CICC的结构如图2所示，采用钨极氩弧焊将液氦冷却管和铠甲连接起来，此焊缝极为重要，而且焊接难度大，主要体现在：首先，采用全位置焊，空间狭小，并要求全焊透；其次，在焊接过程中需控制超导缆处的温度不能高于250℃，以保护超导缆的超导性能；再次，需严格控制焊接质量以保证焊缝强

4、度，使超导线圈工作时该焊缝在电磁力作用下不被破坏。所以，对焊缝开展焊接工艺参数的研究是非常有必要的。有限元法作为一种近似解法是解决工程实际问题的重要途径，其用离散单元组成的集合体代替原结构，用近似函数表示单元内的真实场变量，从而给出离散模型的数值解，能很好地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件[3]。本文采用焊接有限元分析软件SYSWELD对氦冷却管和CICC铠甲的焊接进行了数值模拟；根据材料属性和实际焊接工艺试验得到焊缝截面进行了热源校核，根据设计的冷却工装加载边界条件，利用瞬态法进行温度场计算；通过有限元获得的焊接工艺参数，进行了相同参数的焊接试验

5、，验证了有限元模拟结果和焊接工艺参数的可靠性。1、几何模型的建立氦冷却管由圆管段、跑道形段及两段之间扫略而成的过渡段组成，如图3。实际焊接时首先将跑道形段焊接在CICC上，然后依次焊接过渡段和圆管段。因仅跑道形段和CICC铠甲焊接的温度场可能影响内部NiTi超导体性能，故专门设计了水冷循环装置，并对此两部分的焊接温度进行了测量。因而氦冷却管的几何模型仅采用跑道形段，高度为11.2mm，并将其阶梯型坡口简化为单边V型坡口。CICC铠甲尺寸为19.2×19.2，内侧是0.5mm厚的花包层。由于焊接试验时需在花包层内表面布置热电偶，故采用无导体的空心CICC电

6、缆，其几何模型也仅为铠甲和花包层，壁厚为二者之和，长度为120mm。由此建立的总体几何模型如图4所示。图3氦冷却管组成和CICC导体截面图4CICC和氦冷却管几何模型Fig.3He-inletcomponentsandCICCsectionFig.4GeometricalmodelofHe-inletandCICC2、有限元分析2.1有限元分析误差及减小措施有限元计算误差来源有建模误差、离散误差和数值误差。建模误差可通过改进数学模型来减少，离散化误差可通过运用更多的单元来减小；计算机表示的数据和处理过程引入的数值误差很小，但某些物理因素和不良的离散化会使

7、误差变大[4]。本文基于此原理进行相应的误差控制。2.2焊接传热问题有限元法基于加权余量法分析热传导的过程是：根据热传导问题的微分方程和边界条件，建立其等效积分形式；利用等效积分的一般形式—加权余量法的原理建立近似解法并求解。有限元法区别于传统的加权余量法和求解泛函驻值的变分法，该法不是在整个求解域上假设近似函数，而是在单元上分片假设近似函数。瞬态温度场的场变量（）在直角坐标中应满足的微分方程为[5]：（在内）边界条件为：（在边界上）（在边界上）（在边界上）式中，为材料密度；为比热容；为材料沿三个主方向的导热系数；为内热源密度；为边界外法线的方向余弦；是

8、在边界上的给定温度；是边界上的给定热流密度；为边界上的外界环境温度（自然对流）或