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时间:2018-05-13
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2、础上,通过ANSYS优化设计模块,以S弯盒的总体位移为目标函数、以最大应力和合理的质量为状态变量、以壁厚尺寸和加强筋间距尺寸为设计变量进行了优化分析。优化分析的结果表明:当S弯盒加强筋数量N取3;最大等效应力从108Mpa下降到100Mpa、降低幅度为7.41%;重量从6830Kg下降到6603Kg、降低幅度为3.32%;最大位移从1.694mm下降到1.411mm,降低幅度为16.70%时,S弯盒达到最优解。通过优化设计获得的S弯盒结构参数和加强筋的数目,满足了设计要求,应力分布更加均匀合理,提高了S弯盒的可靠性和安全性,为下一步研
3、制S弯盒提供了技术参数和依据。1.ITER过渡馈线S弯盒是一个长方形的薄壁真空压力容器,主要用于容纳超导母线Busbar和冷却管路的S形弯曲部分。根据ITER国际组提供的资料,S弯盒的长度为3500mm、高度1500mm、宽度1430mm。其工作条件为:外部为室温、大气压力,内部为低温、真空环境。正常工作时容器内外的压力差为0.1MPa、故障态时的内部压力上升到0.2MPa,选用的材料为304不锈钢。2.ITER过渡馈线S弯盒有限元模型2.1S弯盒不同结构模型的建立及静力学分析根据ITER设计文集提供的结构尺寸,利用ANSYS软件提供
4、的Shell181单元对S弯盒进行结构建模和静力学分析,分析结果如表2所示。通过结构静力分析结果表明了S弯盒体设置加强筋的必要性,这是提高模型强度最经济的措施。设置加强筋后,壁厚对模型的影响也大,壁厚较小时模型响应的位移比较大,响应的应力超出了许用应力值;壁厚较大超过一定值的时候,模型响应的位移和应力没有较大的变化,说明壁厚并非越大越好。S弯盒体各个面板的厚度、加强筋的间距尺寸和加强筋位置,将对结构强度有很大的影响。因此为了改善结构的受力状态,确保容器的安全性与可靠性的前提,必须对模型进行优化设计。2.2S弯盒的结构参数初始值的确定盒
5、体壁厚的确定,可按照矩形平板理论进行计算得到:式中,δmin为壳体最小的实际壁厚;C为壁厚的附加量,包括板材附加量和材料的腐蚀裕量,取值为1.5mm;[σ]min为轧钢的弯曲许可应力(取材料拉伸时)的最小应力值;B为平行板的窄边的长度(当设计加强筋后,B即为筋板分割后的小平面的短边长度)。设计加强筋的取值范围为500-1200mm,故δmin≥11.1mm。S弯盒左右两端分别与过渡馈线中的In-duct直线段管、线圈终端盒CTB连接,考虑到这两个端面不能设置加强筋进行结构补强、而且又有开孔情况,故这两端面板的厚度初始设计取值为40mm
6、。因顶端和底端也没有设置加强筋进行结构补强,则这两面的板厚度初始设计也取值为40mm。盒体内部设置的加强板厚度始终采用20mm,其它设置了加强筋的面板(包括加强筋)厚度初始设计取值均为20mm。2.3优化模型的建立及结构静力学分析根据ITER设计文集提供的结构尺寸和前节取定的结构设计数值,利用ANSYS软件提供的Shell181单元对S弯盒进行结构建模和静力学分析,结构的位移和应力分析云图结果如图2所示。图2优化前的位移和等效应力分布云图(加强筋数目为3时)3.S弯盒结构的优化设计3.1优化设计的数学原理优化问题的基本原理是通过优化模
7、型的建立,运用各种优化方法,在满足设计要求的条件下通过迭代计算,求得目标函数的极值,得到最优方案。S弯盒的数学模型建立如下:其中,U(X)为目标函数;Xi为设计变量;Wi(X)和Si(X)为状态变量;l和m为状态变量的个数。目标函数是表示设计特征的独立变量,是最小化的函数,本文的目标函数分别为WT(质量)和USUM(位移)。设计变量表示要受到改变的设计输入参数项,本文的设计变量为壁厚和加强筋间距,每一个设计变量都要有上下限。状态变量是基于用户指定的准则,用来判断设计的模型响应参数项,本文的状态变量分别为SEQV(应力)、USUM(位移
8、)和SEQV(应力)、WT(质量),每个状态变量应规定上限或下限,用以表达决定设计可行性的工程准则。目标函数和状态变量通过最小二乘法由设计变量逼近求得。3.2优化方案因S弯盒的质量要求不高,力求合理就行,则此次优化可以看
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