HT-7U超导托卡马克装置真空室结构的强度分析.doc

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3、-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，特不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，必须依照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，确定真空室的差不多结构。1．引言54/54HT-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

4、污染，同时依照物理要求，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。如此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。关于如此一个结构形状、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能够参照，没有一个统一的经验计算公式可参考，传统的计算方法专门难对其应力分布和强度情况进行

5、较为准确的分析。只有通过计算机采纳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筑提供了可靠的依据，不仅为工程节约了时刻和经费，而且也幸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。5

6、4/54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进展有限元法所必备的工具，在国外由于电子计算机的迅速进展，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，并不断普及和进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KSTARSST-1ITERTPXJT-60U54/54强度分析ANSYSANSYSAN

7、SYSCOSMOSNASTRANIDEASCOSMOSANSYSNASTRAN结构屈曲/失稳分析ANSYS————ANSYSCOSMOS54/54NASTRANCOSMOSANSYS————温度场的分布及热应力分析FLUENTANSYSABAQUSFLUENTCOSMOSANSYS————流体分析FLUENT54/54ANSYSABAQUSFLUENT————————地震响应及疲劳寿命的分析————————DYNAN3DNASTRAN————DYNAN3DNASTRAN54/54注：早期建筑的托卡马克装置如ASDEX等采纳的差不多上使用SAP有限元程序

8、.近年来，国外一些大型有限元商业软件进展较快，其中最闻名的有NASTRAN，ANSYS，COS