BESⅢ備用閥箱公路運輸條件下的穩定性分析

王校威 ，朱自安，趙 玲，劉旭洋，謝宗泰，孫麗婷，張國慶

（1.中國科學院大學，北京 100049；2.中國科學院高能物理研究所，北京 100049；3.北京科技大學能源與環境工程學院，北京 100083）

0 引言

北京譜儀Ⅲ（BESⅢ）是工作在北京正負電子對撞機（BEPCⅡ）上的大型通用探測器，主要用于開展Τ-粲能區的物理研究[1]。閥箱是BESⅢ探測器超導磁鐵與外圍的低溫系統、電源、真空機組之間的功能接口，位于低溫恒溫器頂部，是保證低溫真空試驗環境的關鍵[2]，圖1 為磁鐵結構示意圖。閥箱運行時間越長，設備出現故障的可能性就越大，為了保證BESⅢ正常工作，制備備用閥箱變得必不可少。當備用閥箱從工廠運送到工作地點時，為保證閥箱結構在運輸過程中的安全穩定性，本文針對公路運輸條件，對閥箱內部結構進行了運輸狀態下的穩定性數值模擬和計算分析，并提出合理要求和建議，其中閥箱運行圖如圖2 所示。

圖1 磁鐵結構示意

1 備用閥箱整體結構

閥箱為真空罐體，主要由不銹鋼外殼、電流引線、60 L液氦罐、液氦及液氮出入管線及低溫閥等組成。閥箱筒部高度為1831 mm，底部直徑為1300 mm，內部冷屏筒體的高度為1450 mm，上下端部銅板的直徑為1000 mm，內部液氦罐的高度為400 mm，外直徑為728 mm，內直徑為400 mm，其中冷屏上下端板材料為銅，其余結構的材料為304 不銹鋼。閥箱結構如圖3 所示。

圖2 閥箱運行

2 ANSYS 有限元模擬分析

首先建立物理模型，對一些不重要的管路接口、結構進行簡化，在不影響分析結果的前提下提高計算效率，閥箱結構簡化模型如圖4 所示。

2.1 備用閥箱的模態分析

圖3 閥箱結構

圖4 閥箱結構簡化模型示意

進行閥箱結構模態分析[3]時，是以閥箱的底板面為固定面，求得其固有頻率和振型。結果表明：第一階固有頻率為6.226 4 Hz，第二階固有頻率為13.602 Hz，第三階固有頻率為15.115 Hz，第四階固有頻率為44.395 Hz，公路運輸主要振動頻率一般小于10 Hz，模態分析中只有一階固有頻率小于該數值，因此需要在運輸過程中盡量避免該共振頻率。

2.2 備用閥箱靜力學分析

閥箱結構受水平橫向X、水平縱向Y、垂向Z 三個方向的加速度分析，分別為1 g、2 g、3 g，同時還要考慮自身重力，通過靜力學結構分析[4]，得到閥箱結構受靜態載荷力作用下的變形。

結果表明：根據應變云圖顯示的數據大于零，閥箱中懸掛所受應力為拉應力，懸掛選取304 不銹鋼，其材料的許用應力為250 MPa，應力分析云圖的結果中最大值為230.32 MPa，因此懸掛結構沒有超過材料的許用應力，是安全可靠的。

表1 高速公路卡車振動環境

2.3 備用閥箱隨機振動分析

最后進入隨機振動分析[5]，得到閥箱結構在給定加速度頻譜下的振動響應，表1 為高速公路振動環境。

對閥箱結構施加表1所示的X、Y、Z 三個方向的加速度激勵（圖5），得到其加速度譜響應分析結果云圖（圖6）。結果表明：從響應譜分析結果得出X、Y 方向的響應位移稍大些，后期運輸過程中可以考慮加入減振措施[6]，減小振動幅度，延長提速、減速時間，避免可能沖擊。

圖5 加速度激勵

圖6 加速度譜響應模擬結果

3 結論

基于ANSYS 有限元分析結果，對BESⅢ探測器超導磁鐵備用閥箱在高速公路工況下的運輸給出了要求。為避免發生共振，運輸過程中應避開第一階共振頻率，同時考慮加入減振措施，以減小振動幅度，并延長提速、減速時間，避免可能的沖擊，從而保證備用閥箱在運輸過程中的安全可靠。