ITER中子屏蔽块结构分析中力矩补偿问题的探讨

王开松 陈 凯 郝俊川 刘素梅,3

1（安徽理工大学 淮南 232001）

2（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）

3（安徽农业大学工学院 合肥 230036）

国际热核聚变反应堆 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)是正在进行研制的一项大型国际合作项目，其真空室是等离子体直接运行和进行核聚变反应的场所[1−3]。在真空室内、外壳体间设计了大量结构相似的中子屏蔽块，主要作用是屏蔽中子辐射。中子屏蔽块浸泡在100ºC硼化水中，等离子体破裂及垂直位移事件下会感应很强的电磁力。由于感应电磁力并非均匀分布，每个屏蔽板承载的电磁力大小并不相同。但在结构分析中该感应的电磁力是以加速度形式均匀施加在每个屏蔽块上，而 IO组织给定的力矩是由上述非均匀的感应电磁力产生的，因而分析得到的力矩与 IO组织给定的力矩值有所差别。为此，在分析过程中用补偿力矩方法确保力矩的分析值与实际的力矩值大致保持相同，从而保证结构分析结果的准确性。对中子屏蔽块进行结构分析有助于验证中子屏蔽块设计的可行性，分析中还要考虑重力、地震等载荷综合作用的结果。

1 分析前处理过程

1.1 几何模型的建立

用 CATIA V5软件建立中子屏蔽块的几何模型。为便于计算，在不影响其本身强度、刚度和计算精度的前提下[4]对模型去圆角、倒角和螺纹等简化，简化后的模型基本反映屏蔽块的真实情形。图1显示了简化后的整体模型及各附件。

图1 简化的整体模型Fig.1 The whole model.

1.2 选择材料

根据ITER真空室材料设计准则[5,6]，屏蔽块整体共采用 3种材料。托架和筋板选用材料316(N)-IG，屏蔽板选用材料 SS430，螺栓和垫片选用材料XM19。

1.3 网格的划分及单元的选择

用ANSYS Workbench软件对几何模型进行网格划分，划分的有限元模型采用六面体单元。有限元模型建立过程中，选用 solid186、conta174和targe170三种单元。Solid186是一种高阶三维20节点实体结构单元，有支持弹性和大应变的能力。目标面选用conta174单元，接触面选用targe170单元[7]。模型整体单元数为 67670，节点数为287863，其有限元模型如图2。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model.

1.4 接触对的建立

为准确反映屏蔽块各部件间的相对摩擦和联接情况，在各部件的接触面上建立起面-面的接触对。用ANSYS Workbench软件建立有限元模型接触对如图3所示。

图3 有限元模型的接触对Fig.3 The contact of finite element model.

2 施加预紧力分析和边界条件加载

根据屏蔽块装配过程[8]，为使屏蔽块模拟分析接近真实情况，避免联接螺栓在固定螺栓上产生弯矩，在对屏蔽块进行结构分析前，须先施加预紧力分析。为确保筋板受力的真实性，将筋板分成上下两部分。首先在M30螺栓上加载103900 N的预紧力，M20螺栓上加载22610 N的预紧力，再对筋板的侧面、上下表面施加固定约束。通过分析得到筋板在X方向的位移为0.042 mm(如图4)。

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

在屏蔽块结构分析中该位移量将作为边界条件添加到筋板上，上筋板的下表面加X方向的固定约束，下筋板的上表面加X方向0.042 mm的位移约束，整个筋板的一个侧面加Z方向的固定约束，整个筋板的两个侧面中位于同一平面内的两条线加 Y方向的固定约束，见图 5。这样施加边界条件取决于材料在高温下膨胀特性，从而可使力沿一个方向加载。

图5 边界条件的图示Fig.5 The boundary conditions.

3 结构分析

3.1 补偿力矩的计算原理[9−12]

首先，将屏蔽板模型的后表面施加全约束位移，再将模型的坐标系平移到屏蔽板后表面的中心位置，然后对模型加载电磁力，大小分别为 FX、FY和FZ。求得：

IO给定的力矩大小分别为 MZEM、MYEM 和MXEM。因此，三个方向的补偿力矩为：

用上述原理求得补偿力矩大小如表1。

表1 补偿力矩表Table 1 Compensation moment of force.

3.2 载荷加载

真空室正常工作时其内部环境温度保持在~110ºC，温度差可忽略不计，不考虑由温度差引起的温度载荷。因此，屏蔽块所受载荷主要包括重力和涡流引起的电磁力，它们分别以加速度的形式加载在屏蔽块上。

3.3 采取力矩补偿的结构分析

(1) 结构分析采用 7个载荷步进行计算：第一步M30螺栓预紧力的计算，第二步M20螺栓预紧力的计算，第三步温度载荷，第四步重力的加载计算，第五步电磁力加载计算，第六步补偿力矩加载计算，第七步M30螺栓电磁力加载计算。

(2) 分析计算结果，得到屏蔽块各附件的应力云图如图6。

3.4 未采取力矩补偿的结构分析

(1) 该结构分析只采用 6个载荷步，未进行补偿力矩加载计算。

(2) 分析计算结果，得到屏蔽块各附件的应力云图如图7。

图6 各附件的应力强度云图 (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

图7 各附件的应力强度云图 (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

比较上述两种结构分析计算可知，采取力矩补偿的分析结果情况较危险。因此，只须对此情况下各附件进行强度校核即可。对比结果如表2。

表2 各附件两种分析的结果对比Table 2 Analysis results comparison of the parts.

4 结语

通过以上分析计算得到，补偿力矩对中子屏蔽块各主要附件受力情况产生很大影响。计算发现，电磁力产生的力矩有的比IO给定值小，有的比IO值大，所以具体分析过程中要补偿小于 IO值的那部分，而大于 IO值的不需要补偿，这样就保证力矩与电磁分析得到的结果保持一致，也即与 IO给定力矩相符合。而对于比 IO给定值大的力矩不采取任何措施，是因为它比电磁分析的力矩结果大，采用它会使结构分析结果更保守。补偿力矩使结构分析结果更真实可靠，且与实际情况相符，从而保证屏蔽块分析结果的准确性和可靠性，为设计提供必要的参考依据。补偿力矩成功使用为复杂模型运用有限元分析软件进行补偿力矩分析提供了参考依据。

1 王开松, 徐 杨, 宋云涛. ITER中子屏蔽层结构分析中二次应力去除[J]. 核技术, 2011, 34(8): 637−640 WANG Kaisong, XU Yang, SONG Yuntao, et al.Removing the secondary stress in structure analysis of ITER in-wall shields[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(8):637−640

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11 Ioki K, Sannazzaro G. Vacuum vessel design criteria in ITER. Meeting on Codes and Standards[R]. ITER International Team, Garching, Germany: 17−18, 2004

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