ITER真空室中子屏蔽组件的结构动力学有限元分析

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1、第29卷第2期核聚变与等离子体物理Vol.29,No.22009年6月NuclearFusionandPlasmaPhysicsJune2009文章编号：0254−6086(2009)02−0142−04ITER真空室中子屏蔽组件的结构动力学有限元分析刘常乐，武松涛，郁杰(中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031)摘要：为考察ITER真空室中子屏蔽结构组件对选址地法国Cadarache地震加速度频谱的单点响应情况，根据ITER真空室中子屏蔽组件的设计概念和结构特点，建立了组件结构的有限元分析模型。应用有限元分析软件ANSYS对组件进行了结构模态分析，并基于其结果进行了模态叠加

2、。分析发现，组件结构的低阶振型与高阶振型有差异，且结构与低阶频率发生响应，但引起的位移与应力在允许的范围之内。结果表明，装配体结构更能适应结构抗震性的设计要求。仿真计算的结果为组件结构的优化设计和下一步的工程实现提供了可靠的依据。关键词：ITER真空室；中子屏蔽组件；动力学分析；有限元方法++中图分类号：TL626；TH123.3文献标识码：A1引言ITER是世界上第一个核聚变实验反应堆。ITER真空室是该实验反应堆主体结构之一，为双层不锈钢高真空组件组成的360°环形结构系统，其[1]中包含9个40°扇形结构。在真空室双层壳体之间的60%的空间里填充了大量结构相似的中子屏蔽组件，

3、它们是真空室屏蔽结构的基础部件，其主要作用是用来屏蔽堆芯等离子体在核聚变反应过程中产生的中子辐射。根据ITER真空室组的设计概念，中子屏蔽组件安装在真空室极向支撑上。这些屏蔽结构除了受到自身重力的作用外，还要经受地震等突发事件，因此深入了解中子屏蔽组件结构的稳定性和抗震性显得十分重要。图1真空室(40°，隐去外壳)2中子屏蔽组件的模态分析2.1中子屏蔽组件有限元模型的建立一般，一块组件由3～10不锈钢屏蔽单元块通有限元模型的建立如下：过联接螺柱(M30)、托架、垫圈等附件组装而成，a.实体模型。为了便于计算，在不影响其本身并通过两个M30的螺钉安装在极向支撑上(如图1、的强度、刚度

4、和计算精度的前提下将模型简化，利2所示)。选取外侧区域的一个典型组件进行分析研用有限元Modeling方法建立中子屏蔽组件的有限究。由于该组件包含10个屏蔽单元块，具有代表性，元分析模型。经过前处理后的实体模型包括托架、能较直观地反映组件结构的变形情况。垫圈、两个联接螺钉和两个安装螺钉，模型基本反收稿日期：2008−04−10；修订日期：2008−11−30基金项目：国家973计划资助项目(2005CB724002)作者简介：刘常乐(1972−)，男，安徽合肥人，博士，主要研究方向：核聚变装置设计与分析、CAD/CAM应用研究。第2期刘常乐等：ITER真空室中子屏蔽的结构动力学有限

5、元分析143映了组件的真实情形。发生扭转变形，组件内部附件的第5、6阶振型则[2]b.屏蔽组件材料属性屏蔽单元为SS304B7，明显地反映了这种变化趋势。该模型前10阶的固−3密度为7709kg·m，杨氏模量为190GPa，泊松比有频率(f)和对应频率下的组件(D1)及附件(D2)最大为0.3。螺钉、垫圈和极向支撑为SS316L(N)-IG，变形量列于表1中。图3、图4给出了第5阶固有−3密度为7932kg·m，杨氏模量为186GPa，泊松比频率对应的内部附件和组件整体振型。为0.3，摩擦接触系数为0.15。表1组件的模态分析结果c.网格划分。有限元模型的网格划分可以采用阶数频率f

6、/Hz变形量D1/mm变形量D2/mm有8个节点的四面体单元solid45，增加ROTX、113.8710.15910.1277217.6280.12850.0877ROTY、ROTZ三个旋转自由度。划分方式采用318.9130.15340.1288Smartsize自由划分方式，精度等级为8级。总的单429.0120.18570.1199535.0360.16790.1195元数目为36957个，节点数为7870。图2给出了网格639.4350.26130.0983751.8220.28520.0853划分及内部结构。858.5750.44340.1130961.0250.444

7、60.1061d.约束条件。对于两个安装螺钉圆周面进行全1065.9580.32790.1013约束(AllDOF)，外侧屏蔽单元块及托架处的X方向约束UX和ROTY。图3内部附件5阶振型图2组件网格划分及内部结构2.2模态计算及分析结果根据计算模型节点和单元数目较少的特点，选择子空间法提取模态信息。设置提取的模态数目为10，扩展模态数目为10。从计算结果的频率数值看，结构十阶固有频率范围为13.871～65.958Hz，内部附件低阶振型最大变形量为0.1288mm，