ITER水平診斷窗口插件結構分析及優(yōu)化
核聚變是解決未來能源的主要選擇之一，通過高溫等離子體研究以實現(xiàn)核聚變?yōu)槟康摹H熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是當今世界最大的大科學工程國際科技合作計劃之一，也是迄今我國參加的規(guī)模最大的國際科技合作計劃。這將是受控熱核聚變反應具有里程碑意義的科研合作項目。該項目旨在對基本聚變能技術進行驗證，并對實際應用聚變能所需要的條件進行試驗。并將對“燃燒等離子體”方法進行檢驗。在高溫等離子體核聚變裝置中，等離子體狀態(tài)的測量是非常重要的工作。
ITER 水平診斷窗口插件是多項診斷共用的窗口插件，用于安裝可觀察和測量等離子體相關參數(shù)的診斷設備和儀器。等離子體的診斷主要是對等離子體的性質(zhì)狀態(tài)以及各種參量（即表征等立體體性質(zhì)和狀態(tài)的物理量）的測定，是等離子體實驗研究首要解決的問題。等離子體的診斷系統(tǒng)儀器和設備主要集中在診斷窗口插件內(nèi)部。而ITER 診斷窗口插件體積(2×2×3 m)和重量(大于43 t)均較大，且處于懸臂安裝狀態(tài)，在裝置運行期間窗口插件將受到較大的電磁力和電磁力矩及自重作用。各個方向的電磁力和電磁力矩將對結構產(chǎn)生較大影響，而內(nèi)部集成的光學系統(tǒng)要求在ITER 裝置運行期間不能有大的變形發(fā)生，否則將造成光學系統(tǒng)通路不暢，無法準確進行等離子體的觀察測量。結構上滿足設計將是最基本的要求，本文從窗口插件結構介紹入手，進而對窗口插件受到的載荷進行分析后利用ANSYS 軟件對診斷窗口插件結構進行分析并優(yōu)化，以保證結構設計滿足ITER 要求。
4、總結
本文通過經(jīng)典分析軟件ANSYS 對水平診斷窗口插件進行結構分析。分析了水平診斷窗口插件在最大電磁載荷和自重的作用下不能滿足結構強度和變形要求，通過優(yōu)化使得BSM板連接處的應力由最初的720 MPa 降到14.6 MPa，提升法蘭處應力由87.8 MPa 降到5.27 MPa，同時窗口插件其他部位應力集中均得到較大改善。窗口插件最大變形從初始最大2.5 mm 降到小于1 mm，使得結構設計滿足了材料的要求，較小的變形將保證窗口插件中光學儀器的對準性，同時為ITER 后續(xù)地震、熱等分析等提供理論依據(jù)。
【作者】 金傳山；胡慶生；許鐵軍；吳海龍；朱曉文；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)
【機構】 合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院；中科院等離子體物理研究所；
【摘要】 ITER水平診斷窗口插件是用于安裝可觀察和測量等離子體相關參數(shù)的診斷設備和儀器的核心部件。窗口插件體積(2×2×3 m)和重量(大于43 t)均較大且處于懸臂安裝狀態(tài),在裝置運行期間窗口插件將受到較大的電磁力和電磁力矩,結構的強度將受到影響,同時作用在窗口上的載荷將對窗口插件內(nèi)部集成的光學系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,容易造成光路不同。因此窗口插件結構的分析和優(yōu)化非常重要。本文根據(jù)ITER組提供的概念化模型建立有限元模型,分析其在受到最大電磁力、電磁力矩及自重情況下對結構的影響。分析結果表明診斷窗口插件屏蔽板(BSM)連接處及提升法蘭處均有較大的應力集中,通過改進結構設計進行優(yōu)化分析后,窗口插件在結構上均能滿足強度和變形要求。
【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.
【關鍵詞】 水平窗口插件；電磁載荷；結構優(yōu)化；有限元分析；
【Key words】 EPP(equatorial port plug)；electromagnetic load；structural optimization；FEA(finite element analysis)；
