ITER中子屏蔽塊結構分析中力矩補償問題的探討

王開松 陳 凱 郝俊川 劉素梅,3

1（安徽理工大學 淮南 232001）

2（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

3（安徽農業(yè)大學工學院 合肥 230036）

國際熱核聚變反應堆 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)是正在進行研制的一項大型國際合作項目，其真空室是等離子體直接運行和進行核聚變反應的場所[1?3]。在真空室內、外殼體間設計了大量結構相似的中子屏蔽塊，主要作用是屏蔽中子輻射。中子屏蔽塊浸泡在100oC硼化水中，等離子體破裂及垂直位移事件下會感應很強的電磁力。由于感應電磁力并非均勻分布，每個屏蔽板承載的電磁力大小并不相同。但在結構分析中該感應的電磁力是以加速度形式均勻施加在每個屏蔽塊上，而 IO組織給定的力矩是由上述非均勻的感應電磁力產生的，因而分析得到的力矩與 IO組織給定的力矩值有所差別。為此，在分析過程中用補償力矩方法確保力矩的分析值與實際的力矩值大致保持相同，從而保證結構分析結果的準確性。對中子屏蔽塊進行結構分析有助于驗證中子屏蔽塊設計的可行性，分析中還要考慮重力、地震等載荷綜合作用的結果。

1 分析前處理過程

1.1 幾何模型的建立

用 CATIA V5軟件建立中子屏蔽塊的幾何模型。為便于計算，在不影響其本身強度、剛度和計算精度的前提下[4]對模型去圓角、倒角和螺紋等簡化，簡化后的模型基本反映屏蔽塊的真實情形。圖1顯示了簡化后的整體模型及各附件。

圖1 簡化的整體模型Fig.1 The whole model.

1.2 選擇材料

根據(jù)ITER真空室材料設計準則[5,6]，屏蔽塊整體共采用 3種材料。托架和筋板選用材料316(N)-IG，屏蔽板選用材料 SS430，螺栓和墊片選用材料XM19。

1.3 網(wǎng)格的劃分及單元的選擇

用ANSYS Workbench軟件對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，劃分的有限元模型采用六面體單元。有限元模型建立過程中，選用 solid186、conta174和targe170三種單元。Solid186是一種高階三維20節(jié)點實體結構單元，有支持彈性和大應變的能力。目標面選用conta174單元，接觸面選用targe170單元[7]。模型整體單元數(shù)為 67670，節(jié)點數(shù)為287863，其有限元模型如圖2。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model.

1.4 接觸對的建立

為準確反映屏蔽塊各部件間的相對摩擦和聯(lián)接情況，在各部件的接觸面上建立起面-面的接觸對。用ANSYS Workbench軟件建立有限元模型接觸對如圖3所示。

圖3 有限元模型的接觸對Fig.3 The contact of finite element model.

2 施加預緊力分析和邊界條件加載

根據(jù)屏蔽塊裝配過程[8]，為使屏蔽塊模擬分析接近真實情況，避免聯(lián)接螺栓在固定螺栓上產生彎矩，在對屏蔽塊進行結構分析前，須先施加預緊力分析。為確保筋板受力的真實性，將筋板分成上下兩部分。首先在M30螺栓上加載103900 N的預緊力，M20螺栓上加載22610 N的預緊力，再對筋板的側面、上下表面施加固定約束。通過分析得到筋板在X方向的位移為0.042 mm(如圖4)。

圖4 筋板X方向位移Fig.4 The displacement of the rib in the X direction.

在屏蔽塊結構分析中該位移量將作為邊界條件添加到筋板上，上筋板的下表面加X方向的固定約束，下筋板的上表面加X方向0.042 mm的位移約束，整個筋板的一個側面加Z方向的固定約束，整個筋板的兩個側面中位于同一平面內的兩條線加 Y方向的固定約束，見圖 5。這樣施加邊界條件取決于材料在高溫下膨脹特性，從而可使力沿一個方向加載。

圖5 邊界條件的圖示Fig.5 The boundary conditions.

3 結構分析

3.1 補償力矩的計算原理[9?12]

首先，將屏蔽板模型的后表面施加全約束位移，再將模型的坐標系平移到屏蔽板后表面的中心位置，然后對模型加載電磁力，大小分別為 FX、FY和FZ。求得：

IO給定的力矩大小分別為 MZEM、MYEM 和MXEM。因此，三個方向的補償力矩為：

用上述原理求得補償力矩大小如表1。

表1 補償力矩表Table 1 Compensation moment of force.

3.2 載荷加載

真空室正常工作時其內部環(huán)境溫度保持在~110oC，溫度差可忽略不計，不考慮由溫度差引起的溫度載荷。因此，屏蔽塊所受載荷主要包括重力和渦流引起的電磁力，它們分別以加速度的形式加載在屏蔽塊上。

3.3 采取力矩補償?shù)慕Y構分析

(1) 結構分析采用 7個載荷步進行計算：第一步M30螺栓預緊力的計算，第二步M20螺栓預緊力的計算，第三步溫度載荷，第四步重力的加載計算，第五步電磁力加載計算，第六步補償力矩加載計算，第七步M30螺栓電磁力加載計算。

(2) 分析計算結果，得到屏蔽塊各附件的應力云圖如圖6。

3.4 未采取力矩補償?shù)慕Y構分析

(1) 該結構分析只采用 6個載荷步，未進行補償力矩加載計算。

(2) 分析計算結果，得到屏蔽塊各附件的應力云圖如圖7。

圖6 各附件的應力強度云圖 (a) 下托架；(b) 上托架；(c) 屏蔽板；(d) 螺栓Fig.6 Stress intensity of the parts. (a) lower bracket; (b) upper bracket; (c) shield plates; (d) bolts

圖7 各附件的應力強度云圖 (a) 下托架；(b) 上托架；(c) 屏蔽板；(d) 螺栓Fig.7 Stress intensity of the parts. (a) lower bracket; (b) upper bracket; (c) shield plates; (d) bolts

比較上述兩種結構分析計算可知，采取力矩補償?shù)姆治鼋Y果情況較危險。因此，只須對此情況下各附件進行強度校核即可。對比結果如表2。

表2 各附件兩種分析的結果對比Table 2 Analysis results comparison of the parts.

4 結語

通過以上分析計算得到，補償力矩對中子屏蔽塊各主要附件受力情況產生很大影響。計算發(fā)現(xiàn)，電磁力產生的力矩有的比IO給定值小，有的比IO值大，所以具體分析過程中要補償小于 IO值的那部分，而大于 IO值的不需要補償，這樣就保證力矩與電磁分析得到的結果保持一致，也即與 IO給定力矩相符合。而對于比 IO給定值大的力矩不采取任何措施，是因為它比電磁分析的力矩結果大，采用它會使結構分析結果更保守。補償力矩使結構分析結果更真實可靠，且與實際情況相符，從而保證屏蔽塊分析結果的準確性和可靠性，為設計提供必要的參考依據(jù)。補償力矩成功使用為復雜模型運用有限元分析軟件進行補償力矩分析提供了參考依據(jù)。

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