ITER超導體檢漏真空室的設計與優(yōu)化
國內熱核聚變試驗堆（簡稱ITER）方案是由中國、歐盟、美國、俄羅斯、阿曼、韓國、印度七方獨特參加、眼前寰球規(guī)模最大、莫須有最深長的國內大迷信工事競爭名目之一。ITER方案的指標是要利用氫的同位素氘、氚的聚變反響開釋出能量，這一方案的順利施行將無助于于全人類找到到底克服能源財政危機的步驟。中科院等離子體所承當了ITER名目超導磁體的研制使命，超導磁體在通過絞纜、穿管、縮管等工藝之后還須要繼續(xù)真空檢漏嘗試。白文重要說明了超導磁體檢漏真空室及其真空機組的設計、優(yōu)化。1、真空筒構造設計1.1、構造說明
超導體檢漏真空室重要由：上封頭、中部筒體、下封頭、支持底腳、鉚接法蘭圈、中部增強筋、及外部環(huán)體支持等元件組成，其構造如圖1所示。須要真空檢漏的超導體為CICC（Cable-in-Conduit-Conductor）構造，長約1000m,截面為54×54mm，將超導體圍繞成直徑為4m的圓環(huán)后放入檢漏真空室檢漏，因而中筒內徑須要4600mm，中筒高低4260mm；上、下封頭采納冷沖壓法打造的10%碟形封頭，內徑4600mm，高低900mm；中部增強筋為110×40mm；鄙人封頭內側鉚接了16道增強豎筋和環(huán)體支持使下封頭勻稱受力。整個真空室重約23.5噸，全副采納304不銹鋼資料打造。為滿足容器的真空度務求，對打造內中中真空室焊縫的焊透性、平坦度、外部名義晶亮度及密封法蘭的立體度和密封槽的名義晶亮度等工藝提出了寬大務求。1.2、真空室壁厚劃算
真空室的理論壁厚S等于劃算壁厚S0加上壁厚附加量C
S=S0+C（mm）（1）
其中劃算壁厚公式為:
式中DB———圓筒內徑，mm
P———外壓設計壓力，MPa
L———圓筒劃算長短，mm
Et———資料熱度為t時的彈性模量，MPa
真空室壁厚附加量按下式確定：
C=C1+C2+C3（mm）（3）
式中C1———謄寫鋼版的最大負公差附加量（mm），本設計取C1=0.8
C2———侵蝕裕度（mm），本設計取C2=1
C3———封頭沖壓時的拉伸減薄量，本設計在劃算圓筒全體薄厚時取C3=0，在劃算封頭薄厚時取C3=3mm
本真空室設計壓力P為一個規(guī)范大氣壓，圓筒內徑DB為4600mm，總高6300mm，其中高低封頭各高900mm，資料常溫下的彈性模量Et為2.06×105MPa。由（2）式可知圓筒的劃算長短L對壁厚莫須有很大，因而給出了如次兩種相反劃算長短的構造計劃（即是否設置中部增強筋），并別離繼續(xù)了壁厚劃算。
1.2.1、不設置中部增強筋時的壁厚劃算
真空室圓筒中部不設置增強筋時，圓筒的劃算長短為L'=4840mm，代入（2）式可劃算出圓筒劃算壁厚S0':
由式（3）可劃算出附加壁厚為:
C=C1+C2+C3=0.8+1+0=1.8mm(5)
由（4），（5）式得出不設置增強筋時圓筒的理論壁厚無須為：
S'=S0'+C=17.5+1.8=19.3mm(6)
1.2.2、設置中部增強筋時的壁厚劃算
在圓筒中部設置一道110×40mm環(huán)向增強筋后劃算長短L"變?yōu)?400mm，此時圓筒的劃算壁厚S0"：
由（5）,（7）可得圓筒的理論壁厚無須為
S"=S0"+C=13.2+1.8=15mm（8）
采納中部增強筋后真空室圓筒壁厚可19.3mm縮小到15mm，因而設置中部增強筋的計劃比上一計劃更優(yōu)，節(jié)儉鋼材約2噸。真空室高低封頭采納冷沖壓法打造的10%碟形封頭，所以運用10%碟形封頭要比運用規(guī)范扁圓形封頭時增多定量，同一內徑同一板厚的封頭，10%碟形比規(guī)范扁圓形封頭的下料尺寸小，可節(jié)儉資料,劃算出封頭薄厚為20mm。1.3、基于ANSYS的壁厚優(yōu)化設計
咱們曉得為了保障壓力容器的保險性，按傳統(tǒng)的壓力容器設計步驟劃算進去的壁厚總是偏大。因而咱們采納ANSYS無限元綜合硬件對整個真空室繼續(xù)了壁厚優(yōu)化設計。真空室設計外壓：P=0.1MPa資料的彈性模量：Et=2.06×105MPa泊松比：μ=0.3優(yōu)化指標：經過壁厚的優(yōu)化設計，使得真空室在滿足給定的剛度和強度務求下總分量最小，資料最省。
咱們給定真空室圓筒的劃算壁厚（只思忖受外壓莫須有）參考規(guī)模為h1∈（7，12）高低封頭的劃算薄厚參考規(guī)模為h2∈（9，15），許用應力[σ]=122MPa。
圖1真空室構造圖 圖2真空室力學多少何模子
依據(jù)真空室的構造和受力特點，采納軸對稱構造繼續(xù)綜合，在容器外壁垂直強加規(guī)范大氣壓力。真空室力學多少何模子如圖2所示。選用真空室壁厚h1,h2作為優(yōu)化變量，σ為優(yōu)化設計中構造的等效應力強度，其作為一個束縛條件。因而可得真空室壁厚優(yōu)化設計的數(shù)學模子為：
其中f(X)示意真空室的總分量，X是壁厚h1,h2的因變量。在綜合中，咱們關切的是應力沿壁厚的散布法則及大小，故在校核時只有綜合沿壁厚某個截面的[σ]即可。將之上多少何模子與數(shù)學模子代入ANSYS，即可失去真空室的優(yōu)化設計壁厚為，h1=8mm，h2=10mm，此時整個真空室的最大應力值為108MPa＜[σ]=122MPa，最大應力值涌現(xiàn)在在封頭過渡圓內側。圖3為ANSYS劃算出的真空室應力求。
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