NBI综合测试台真空筒体的静力分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机汽学院 作者:孟冠军

1、建立有限元模型及设定边界条件

  真空筒体的筒体、离子源连接盖板、漂移管道连接盖板、C 型腹板的材料属性如前, 几何模型经简化和清理后划分的单元数量1793069 个, 节点数量633403 个。

  整段筒体是放置于链轮导轨上的, 链轮通过鞍座与C 型腹板横梁相连接, 在对筒体进行模型简化时, 去除了链轮以及导轨, 只保留了底部横梁与链轮的连接块, 因此将约束施加在底部横梁的连接块上。

2、施加载荷

  筒体为真空, 真空室内与盖板外的压强差为一个标准大气压, 因此, 对筒体外壁需要施加一个标准大气压的外载荷, 大小为0.1103 MPa。

  各连接件的受力大小按照表2 中的计算结果,对各个连接件进行载荷的施加。

3、模拟结果

  通过求解器对整段筒体有限元模型进行求解后, 得到真空筒体的应力云图和位移云图, 如图4 和图5 所示。

真空状态下筒体应力云图

图4 真空状态下筒体应力云图

真空状态下筒体位移云图

  

图5 真空状态下筒体位移云图

  如图4 和图5 模拟结果所示, 真空筒体的最大应力为78.09 MPa, 最大位移为1.138 mm, 最大应力和最大位移均出现在离子源端盖上, 最大应力主要集中在离子源端盖与盖板连接的螺栓孔与方形孔处; 材质为AL.ALY. 6061-T6 的各段筒体处, 最大应力值为68.59MPa, 除了由于大气压所产生的压力而造成筒体普遍应力分布外, 应力主要集中在各段筒体内部件的连接件处。

4 、结果分析

  从分析结果来看, 筒体部分的最大应力68.59MPa, 小于所选材料AL. ALY. 6061-T6 的屈服极限276 MPa; 端盖部分的最大应力78.09MPa, 也小于所选材料SST304 的屈服极限205 MPa。因此, 整段筒体的强度和刚度都在相应材料的屈服极限范围内,整段筒体的结构符合要求。

  从经济角度以及材料使用来考虑, 筒体各段的强度、刚度条件都是远低于材料的屈服极限, 造成了成本的提高以及材料的浪费, 因此根据分析结果, 可以对真空筒体的材料和几何结构进行合理的改进。如果更改真空筒体材料, 则需要对材料的选取进行重新评估, 项目最初选择AL. ALY. 6061-T6、SST304 两种材料, 经过了具体充分的考虑和论证。

  因此, 在材料不更换的情况下, 可以通过结构优化设计中的尺寸优化方法, 综合考虑尺寸厚度大小、材料的充分应用以及节约经济成本三方面选择合理的优化方案。

  表3真空筒体各主要部件的应力、位移值

真空筒体各主要部件的应力、位移值

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