ITER水平诊断窗口插件结构分析及优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机械与汽车工程学院 作者:金传山

  核聚变是解决未来能源的主要选择之一,通过高温等离子体研究以实现核聚变为目的。国际热核聚变实验堆(ITER)计划是当今世界最大的大科学工程国际科技合作计划之一,也是迄今我国参加的规模最大的国际科技合作计划。这将是受控热核聚变反应具有里程碑意义的科研合作项目。该项目旨在对基本聚变能技术进行验证,并对实际应用聚变能所需要的条件进行试验。并将对“燃烧等离子体”方法进行检验。在高温等离子体核聚变装置中,等离子体状态的测量是非常重要的工作。

  ITER 水平诊断窗口插件是多项诊断共用的窗口插件,用于安装可观察和测量等离子体相关参数的诊断设备和仪器。等离子体的诊断主要是对等离子体的性质状态以及各种参量(即表征等立体体性质和状态的物理量)的测定,是等离子体实验研究首要解决的问题。等离子体的诊断系统仪器和设备主要集中在诊断窗口插件内部。而ITER 诊断窗口插件体积(2×2×3 m)和重量(大于43 t)均较大,且处于悬臂安装状态,在装置运行期间窗口插件将受到较大的电磁力和电磁力矩及自重作用。各个方向的电磁力和电磁力矩将对结构产生较大影响,而内部集成的光学系统要求在ITER 装置运行期间不能有大的变形发生,否则将造成光学系统通路不畅,无法准确进行等离子体的观察测量。结构上满足设计将是最基本的要求,本文从窗口插件结构介绍入手,进而对窗口插件受到的载荷进行分析后利用ANSYS 软件对诊断窗口插件结构进行分析并优化,以保证结构设计满足ITER 要求。

4、总结

  本文通过经典分析软件ANSYS 对水平诊断窗口插件进行结构分析。分析了水平诊断窗口插件在最大电磁载荷和自重的作用下不能满足结构强度和变形要求,通过优化使得BSM板连接处的应力由最初的720 MPa 降到14.6 MPa,提升法兰处应力由87.8 MPa 降到5.27 MPa,同时窗口插件其他部位应力集中均得到较大改善。窗口插件最大变形从初始最大2.5 mm 降到小于1 mm,使得结构设计满足了材料的要求,较小的变形将保证窗口插件中光学仪器的对准性,同时为ITER 后续地震、热等分析等提供理论依据。

  【作者】 金传山;胡庆生;许铁军;吴海龙;朱晓文;王旭迪;

  【Author】 JIN Chuan-shan1,HU Qing-sheng2,XU Tie-jun2,WU Hai-long1,ZHU Xiao-wen1,WANG Xu-di1(1.Institute of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2.Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Science,Hefei 230031,China)

  【机构】 合肥工业大学机械与汽车工程学院;中科院等离子体物理研究所;

  【摘要】 ITER水平诊断窗口插件是用于安装可观察和测量等离子体相关参数的诊断设备和仪器的核心部件。窗口插件体积(2×2×3 m)和重量(大于43 t)均较大且处于悬臂安装状态,在装置运行期间窗口插件将受到较大的电磁力和电磁力矩,结构的强度将受到影响,同时作用在窗口上的载荷将对窗口插件内部集成的光学系统稳定性产生影响,容易造成光路不同。因此窗口插件结构的分析和优化非常重要。本文根据ITER组提供的概念化模型建立有限元模型,分析其在受到最大电磁力、电磁力矩及自重情况下对结构的影响。分析结果表明诊断窗口插件屏蔽板(BSM)连接处及提升法兰处均有较大的应力集中,通过改进结构设计进行优化分析后,窗口插件在结构上均能满足强度和变形要求。

  【Abstract】 The equatorial port plug(EPP) is a key part used for the installation of the diagnostic system/instruments to observe and measure the parameters relevant to plasma.With its big volume(2×2×3m) and heavy weight(over 43t) especially its cantilever-shape in installation,EPP is subjected to great electromagnetic force/torque thus affecting its structural strength.Moreover,the loads acting on EPP will affect the stability of optical system inside EPP so as to be easy to cause different optical paths.The structural analysis/optimization is therefore very important to EPP.According to the conceptual model provided by ITER(international thermonuclear experimental reactor),an FEA model based on the software ANSYS is developed to analyze how the maximum electromagnetic force/torque and gravity of EEP itself affect its structure.The results revealed that the stress is highly concentrated in both the positions where the BSM(blanket shielding module) is joined and the lifting flange is provided.The improved structural design and optimization analysis verified that the EPP structure is available to meet the requirements for both strength and deformation.

  【关键词】 水平窗口插件;电磁载荷;结构优化;有限元分析;

  【Key words】 EPP(equatorial port plug);electromagnetic load;structural optimization;FEA(finite element analysis);

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