1、June2023NuclearmPhysics2023年6 月Vol.43,No.2第43卷第2 期子体物理核聚变与等离文章编号：0 2 54-6 0 8 6(2 0 2 3)0 2-0 140-0 5D0I:10.16568/j.0254-6086.202302003EAST八对电流引线罐支撑结构的优化设计与分析王开松，窦成龙1，杜双松，徐微微，奚维斌（1.安徽理工大学机械工程学院，淮南2 32 0 0 1；2.中国科学院等离子体物理研究所，合肥2 30 0 31)摘要：随着EAST高温超导电流引线的技术升级，针对电流引线罐内支撑结构重新进行了优化设计，开展了罐内支撑结构的稳定性分析，最后根
2、据分析结果确定了最优设计方案。针对优化设计后的电流引线罐进行测试，表明其支撑结构可以更好地保证电流引线的安全与稳定关键词：电流引线罐；支撑结构；优化设计；稳定性分析中图分类号：TL65*6文献标志码：A1引言EAST装置的核心部件大型超导磁体系统，由纵场和极向场两个子系统组成 1,2 。利用13对二元高温超导电流引线连接室温电源与低温超导磁体系统，为超导磁体的运行提供励磁电流通道和热连接 3 5。电流引线罐是高温超导电流引线安装固定的容器，其作用是实现电流引线的稳定降温和安全运行，完成对超导磁体系统的正常供电。罐内支撑结构是整个装置的重要组成部分，该结构不仅对电流引线提供重要支撑，还要在维护过
3、程中承受上部载荷的冲击。因此，对该支撑结构进行相关的稳定性分析研究，论证结构设计的可靠性是十分必要的。电流引线罐自建成以来已运行多年，存在着微泄漏和故障态下支撑结构强度不足的问题，影响电流引线运行及维护时的结构安全。因此，利用高温超导电流引线进行技术升级的机会，对该支撑结构进行了优化设计和分析，升级系统的整体稳定性，以保证电流引线在罐内的安全与稳定。2电流引线罐EAST电流引线罐由上顶板、液氮槽、支撑结构、外杜瓦、冷屏等结构组成，电流引线罐运行状态如图1所示。整体安装完成后，其外杜瓦与上顶板通过螺栓相连接，支撑杆与顶板之间因装配要求具有一定间隙，正常运行工况下，由外杜瓦负责支撑上顶板、电流引线
4、等部件的重力载荷以及作用在顶板上的大气压力。而电流引线罐作为向超导磁体系统输送超高电流的重要装置，每运行一段时间，要对罐内电流引线及各结构进行维护检查，维护过程中要拆除外杜瓦，此时上部重力载荷全部由支撑杆承受，存在意外载荷下支撑杆强度不足的隐，需要对其进行稳定性分析，同时考虑到间隙的存在，拆除外杜瓦瞬间上部载荷会对支撑杆产生一定的冲击，要对动载荷系数进行分析研究以减小冲击载荷。电流引线罐维护状态如图2 所示。为保证整体结构维护时的安全稳定，对原支撑杆的结构进行重新优化设计，具体结构设计要求包含：1）满足电流引线维护状态的支撑强度；2）安装的加强结构需要方便拆卸与维护在电流引线罐中通过液氮槽及液
5、氮冷却管路将电流引线冷却至低温超导状态，实现超高电流的输送。罐体内部环境复杂，处于超低温并伴随有强磁场，支撑结构的材料应满足无磁性(避免磁化受到收稿日期：2 0 2 1-10-0 9；修订日期：2 0 2 2-0 6-0 5作者简介：王开松(196 9-)，男，安徽肥东人，博士，教授，从事机械结构设计与分析工作。141王开松等：EAST八对电流引线罐支撑结构的优化设计与分析第2 期电磁力)、能真空操作、可制造性好(良好的焊接性)等要求。选择30 4L奥氏体不锈钢作为支撑结构的材料，其化学成分列于表1中。电流引线外杜瓦支撑杆冷屏超导母线下罐底图1电流引线罐运行状态示意图上顶板液氮槽加强结构图2电
6、流引线罐维护状态示意图表13304L不锈钢化学成分表化学成分数值/%C-碳0.03Mn-锰2.00Si-硅1.00Cr-18.020.0Ni-镍9.012.0P-磷0.035S-硫0.033理论分析电流引线罐安装有八对高温超导电流引线，其中罐内支撑结构在电流引线的运行及维护过程中起重要支撑保护作用。通过对支撑结构进行分析可知，支撑结构受力属于细长压杆的稳定性问题，其临界载荷可由欧拉公式得出：元?EI64(1)ul式中，P,为临界屈服载荷；E为材料的弹性模量；为截面惯性矩；为长度因子；1为轴向长度；d为直径。根据支撑杆具体安装情况可知，其边界条件为一端固定、一端自由，长度因子系数为2。通过分析确
7、定支撑杆为大柔度压杆，对于30 4L不锈钢材料，直径为40 mm的圆杆，其临界载荷为28.9kN。而实际情况中罐内的8 根支撑杆承载罐体上顶板、法兰、电流引线及其他部件的重力载荷约为7 0 0 kN，每根支撑杆所承受的均分载荷P为87.5kN，远大于临界载荷。上述分析只考虑了静载荷，而支撑杆在进行优化设计时，需要考虑瞬间从上部压下来的冲击载荷，也就是需要考虑动载荷系数。对于重物从高度H自由下落的冲击作用，由系统机械能守恒可得：8-28,g-2H8,=0(2)2HK=1+.1+(3)P8,=L(4)AE其中，为冲击载荷引起的位移；,为静位移；K。为动载荷系数；L为杆的长度；A为横截面积。根据实际
8、安装情况，支撑杆与顶板之间的间隙约为20mm，动载荷系数为9.8，不利于电流引线在维护时的安全。动载荷系数的分析曲线如图3所示，由图3可知，增加缓冲垫可以大幅度降低动载荷系数，最终选择10 mm厚的橡胶垫(E2=8Mpa)，其动载荷系数降为2.1，在计入动载荷系数情况下，每根支撑杆上的载荷P*为17 5kN。因此，针对支撑杆的优化设计中均按照载荷为17 5kN进行分析研究，则：2(H-h)2(H-h)Ka=1+/1+=1+1+PP(5)L+LAE,AE22通过理论分析可知，增加支撑杆直径可提高其临界载荷，但由于罐内空间有限，靠单纯增加支撑杆直径提高结构稳定性，会导致空间变得非常狭142第43
9、卷核聚变与等离子体物理小，不便于电流引线的安装与维护。因此，决定采取安装三角形加强结构的方案提高电流引线支撑系统的整体稳定性，保证电流引线运行及维护期间的安全与稳定。支撑结构如图4所示。3.53.02.52.01.510246810橡胶垫厚度h/mm图3动载荷系数分析曲线图4支撑结构示意图根据原支撑杆的结构尺寸及罐内空间确定加强结构的各参数，建立了两种优化设计方案，方案一：方管单X设计方案；方案二：圆管单X设计方案。方案各尺寸参数分别列于表2、3中。表2方管方案各尺寸参数方案名称构件名称内径/mm外径/mm长度/mm支撑管42501000方管方案1拉杆30401000支撑管42501000方管
10、方案2拉杆34401000支撑管44501000方管方案3拉杆36401000表3圆管方案各尺寸参数方案名称构件名称内径/mm外径/mm长度/mm支撑管40501000圆管方案1拉杆30401000支撑管30401000圆管方案2拉杆304010004数值分析在支撑结构进行分析前，对其进行简化，包含：去掉套筒、绝缘垫片等对分析结果几乎无影响的结构，以便于有限元模型的建立和网格的划分。根据各设计方案完成三维建模，选择30 4L奥氏体不锈钢材料，其材料属性根据机械工程材料性能数据手册中给定的材料标准进行设置 ，定义各结构参数，开展结构稳定性分析。通过对各方案支撑结构进行分析，得到临界载荷和安全因子
11、数值，列于表4中，力学分析结果如图5所示。表4分析结果统计表方案名称构件名称质量/kg:m!静载荷/kN临界载荷/kN安全因子支撑管5.81方管方案1175.00601.443.43拉杆4.34支撑管5.81方管方案2175.00567.353.24拉杆2.75支撑管4.46方管方案3175.00444.552.54拉杆1.89支撑管5.58圆管方案1175.00448.092.56拉杆1.89支撑管4.34圆管方案2175.00246.001.40拉杆4.34143王开松等：EAST八对电流引线罐支撑结构的优化设计与分析第2 期ANSYSaROUALSOLITZCHANSYSbSTEP-1R
12、19.1STEP-IR19.1FACT-601449USUMCAVG)FACT567353RSY5-O(AVG)28-.389479RYSMO5N.359479DML-36698320366983.086551.473102.259053.346204.081552.163103.244655.043275.129824.216377.389479326207.302928.040776122328-203879.285431366983MOOALSOLUTICHANSYSCANSYSdRODALSOLITICNANSYSeSTEP-IR19.1R19.1R19.1STEPM1S0B-15t-
13、1FACT-444555YACT-44809STACT-244002OSU(AVG)(AVG)R5YS-ORSYS-ORSYS-ODG359246C2X-.4102572.443479SX.35924652S-410257SX.443479X.079833159665.239496.31933-091168.182337273505364673098551197102295632.319089.246377.344920.394203039916.119749-199581.279414355246.045584.136752-227921-410257.049275.147826.44347
14、9图5力学分析云图a-一方管方案1；b一方管方案2；c-一方管方案3；d圆管方案1；e圆管方案2。根据分析结果选择了最优设计方案，在电流引线罐支撑杆的失稳准则中，对于故障态弹性失稳分析安全因子建议值为2，但考虑到支撑结构的稳定性关乎高温超导电流引线的安全，为保险起见，本文将安全因子取为2.5。在满足安全因子的基本要求下，依据单位长度质量最轻的设计原则，确定最优设计方案为方管方案3，可以更好地实现罐内电流引线运行及维护时的安全与稳定。5结论根据电流引线罐支撑结构的设计要求，对其进行了优化设计，建立了不同加强结构的三维模型，材料选择为30 4L无磁奥氏体不锈钢。通过对缓冲垫厚度与动载荷系数的理论分
15、析，选择10 mm厚的橡胶垫，有效降低了冲击载荷。利用ANSYS软件对支撑结构进行了稳定性分析，根据电流引线罐支撑杆失稳准则及安全性考虑选择安全因子为2.5，同时依据单位长度设计质量最轻原则，确定方管方案3为最优设计方案。通过对优化后的电流引线罐进行测试，表明支撑结构可以更好地保证电流引线的安全与稳定，可实现对超导磁体系统的供电，为装置向更高参数运行提供了保证。参考文献：1 WU S,EAST Machine Team.EAST machine assemblyand its measurement system J.Fusion Engineering andDesign,2005,73:1
16、35-140.2 WU S,EAST Team.An overview of the EAST project J.Fusion Engineering and Design,2007,82:463-471.3 毕延芳，马登奎高温超导电流引线在EAST装置工程调试中投运 .低温物理学报，2 0 0 7，2 9(2):131-135.4毕延芳.EAST超导托卡马克磁体的大型供电供冷外馈线 1.低温物理学报,2 0 0 9,31(4):333-337.5DING K,BI Y,FENG H,et al.Development of ITERHTS current lead at ASIPP J.Physics Procedia,2012,36:931-936.6机械工程材料性能数据手册编委会机械工程材料性能数据手册 M.北京：机械工业出版社，1995.415-418.144第43卷核聚变与等离子体物理Optimal design and analysis of the supporting structurefor EAST eight-pairs current lead tankWAN
