EAST ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析_圖文

1、第 32卷 第 1期 核 聚 變 與 等 離 子 體 物 理 Vol.32, No.12 0 1 2年 3月Nuclear Fusion and Plasma PhysicsMarch 2012文章編號(hào):02546086(201201006105 收稿日期:20110620; 修訂日期:20110922 基金項(xiàng)目:國(guó)家 “ 九五 ” 重大科學(xué)工程子項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介:楊慶喜 (1980 ,男,江西吉安人,博士,主要從事電物理裝置設(shè)計(jì)與分析。EAST ICRF天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析楊慶喜,宋云濤,史善爽,卞紅波,趙燕平(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031摘 要:鑒于 EAST ICRF天

2、線真空密封性和基于實(shí)驗(yàn)移動(dòng)的要求,可移動(dòng)支撐被設(shè)計(jì)用來(lái)支撐 ICRF 天線 前部重量。 通過(guò)理論計(jì)算公式對(duì)天線支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算, 給出了不同截面尺寸、 不同移動(dòng)距離下支撐桿應(yīng)力和變 形情況。 用有限元分析方法進(jìn)行分析, 分析結(jié)果和理論公式計(jì)算結(jié)果非常相近, 滿足設(shè)計(jì)要求。 計(jì)算結(jié)果為支撐 桿優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),計(jì)算方法為同類裝置的支撐結(jié)構(gòu)提供有益的借鑒。關(guān)鍵詞:EAST ; ICRF 天線;支撐結(jié)構(gòu);真空密封中圖分類號(hào):TL62+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1 引言EAST 超導(dǎo)托卡馬克裝置是目前國(guó)際上開(kāi)展磁 約束高溫等離子體聚變實(shí)驗(yàn)研究的主要裝置之一。 未來(lái)將利用 EAST 超導(dǎo)托卡馬克裝置開(kāi)展先進(jìn)

3、的托 卡馬克聚變反應(yīng)堆基礎(chǔ)物理問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究, 實(shí)現(xiàn) 1000s 以上穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進(jìn)運(yùn)行模式的最 終目標(biāo) 1。但是要實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)必須要發(fā)展相應(yīng)的加 熱手段,其中離子回旋共振頻率 (ICRF加熱是重要 的輔助加熱手段之一,它可以直接加熱離子或電 子。 離子回旋共振加熱首先通過(guò)高頻發(fā)生器產(chǎn)生的 RF 功率經(jīng)傳輸系統(tǒng)由發(fā)射天線發(fā)送給等離子體, 然后在等離子體中激發(fā)起等離子體回旋波, 通過(guò)波 與等離子體的相互作用, 從而實(shí)現(xiàn)等離子體回旋共 振加熱 2, 3。由于最新的 EAST ICRF天線為四電流 帶極向二元陣天線,前部重量大,因此必須設(shè)計(jì)一 個(gè)支撐結(jié)構(gòu)來(lái)支撐天線前部重量。另外, EAST 裝

4、 置可進(jìn)行三種等離子體位形的核聚變物理實(shí)驗(yàn), 即 圓截面位形、 大體積位形和大拉長(zhǎng)位形 4 。 若在同 一輪物理實(shí)驗(yàn)中需要進(jìn)行不同等離子體位形的物理實(shí)驗(yàn),就必須調(diào)節(jié)ICRF 天線在 EAST 徑向方向上的位置。因此,天線支撐結(jié)構(gòu)還需保證 ICRF 天 線能夠沿著 EAST 徑向方向移動(dòng)。鑒于 ICRF 天線 支撐結(jié)構(gòu)的重要性,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要對(duì)支撐結(jié) 構(gòu)計(jì)算和分析。2 ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析ICRF 天線主要由法拉第屏蔽、電流帶、法拉 第屏蔽保護(hù)結(jié)構(gòu)、真空傳輸線、天線箱體、天線支 撐結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等重要部件組成,其結(jié)構(gòu)如 圖 1所示。圖 1 ICRF 天線結(jié)構(gòu)組成62 核聚

5、變與等離子體物理 第 32卷ICRF 天線尾部真空密封分為兩部分:一部分 主要通過(guò)固定法蘭、波紋管、移動(dòng)法蘭和氟橡膠密 封圈通過(guò)螺栓緊固密封, 另一部分是真空傳輸線與 移動(dòng)法蘭通過(guò)焊接連接密封。 若整個(gè)天線前部沒(méi)有 支撐結(jié)構(gòu), 尾部的密封結(jié)構(gòu)很容易由于天線前部重 量作用而受到破壞, 故需要設(shè)計(jì)一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)來(lái)支 撐天線前部重量。 ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)主要由 4根 支撐桿組成,前端通過(guò)螺釘固定在天線箱體上,尾 部也通過(guò)螺釘固定在移動(dòng)法蘭上, 支撐桿中部通過(guò) 銅套和螺栓安裝在固定法蘭上, 銅套和支撐桿為間 隙配合, 這樣使整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)在液壓驅(qū)動(dòng)作用下能 夠沿著 EAST 徑向方向移動(dòng)。另外,由于整

6、個(gè)支撐 結(jié)構(gòu)能夠支撐 ICRF 天線前部重量,從而避免了 ICRF 天線前部重量承載在 EAST 裝置真空窗口上。 ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)如圖 2所示。 圖 2 ICRF天線支撐結(jié)構(gòu)2.1 ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算如圖 1所示, ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)對(duì) ICRF 天線 前部起到重要的支撐作用, 若支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度 不夠,則可能會(huì)對(duì)尾部密封結(jié)構(gòu)起到破壞作用。因 此需要對(duì) ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì) 算,在計(jì)算過(guò)程中分為三步進(jìn)行計(jì)算,分別為僅考 慮載荷,僅考慮自重,最后進(jìn)行疊加計(jì)算。 通過(guò) ICRF 加熱天線的支撐結(jié)構(gòu)圖可以看出, 天線前端 4根支撐桿結(jié)構(gòu)相同, 故取一根支撐桿作

7、 為研究對(duì)象,支撐桿在天線前部重量和自重作用 下,支撐桿受力模型如圖 3所示。根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)原理可知, 常見(jiàn)的彎曲均 為橫力彎曲, 即存在正應(yīng)力的同時(shí)也伴隨著一定的 切應(yīng)力,但工程上彎曲應(yīng)力計(jì)算時(shí)通常忽略切應(yīng) 力, 因此該懸臂梁的應(yīng)力計(jì)算主要按照橫力彎曲的 正應(yīng)力公式。橫力彎曲時(shí),最大正應(yīng)力發(fā)生在彎矩 最大的截面上 5,有:maxmaxMW=(1 式中, M max 為最大彎矩; W 為抗彎截面系數(shù)。當(dāng)圓 截面直徑為 d 時(shí),有:332dW =(2 由于每根支撐桿同時(shí)受到天線前部重量 F 和自 重 G 的作用, 為了使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單明了, 首先對(duì)兩 種載荷單獨(dú)作用在支撐桿上分別進(jìn)行計(jì)算, 然

8、后再 將兩種情況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加。 圖 3 ICRF天線支撐桿受力模型基于支撐桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要, 在對(duì)支撐桿應(yīng)力 和撓度進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),首先選擇圓截面直徑為 60mm 的支撐桿進(jìn)行計(jì)算分析。 根據(jù)天線前部重量, 每根支撐桿自重和所承受的力分別為 268.92N 和 2076.75N 。根據(jù)材料力學(xué)中的靜力和力矩平衡原 理, 可以得出天線前部重量作用在支撐桿上的剪力 圖和彎矩圖,如圖 4所示。由圖 4可以看出,在 x =0處,截面的彎矩最大 為 M max =FL /2?；谥谓Y(jié)構(gòu)參數(shù)、式 (1和式 (2可計(jì)算得出支撐桿所受的最大應(yīng)力 max 為 53.86 MPa 。另外,在天線前部重量

9、 F 作用下,支撐桿的 撓度為:3B548FLEI=(3 式中, I 為支撐桿的慣性矩; E 為彈性模量; L 為支第 1期 楊慶喜等:EAST ICRF天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 63撐桿的長(zhǎng)度。 根據(jù)支撐桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以計(jì)算出每 根支撐桿的撓度 為 2.155mm 。 圖 4 ICRF天線支撐桿在天線前部重量作用下的剪力和彎矩圖ICRF 天線支撐桿在自重的作用下,通過(guò)材料 力學(xué)中的靜力平衡及力矩平衡方程 (4和 (5可以得 出支撐桿截面上的剪力圖和彎矩圖,如圖 5所示。s ( ( F x q L x = (4 ( ( 2q L x M x L x =(5 圖 5 ICRF天線支撐桿在自重作用下

10、的剪力圖和彎矩圖由圖 5可以看出, 在 x =0處截面的彎矩最大且 M max =qL 2/2,根據(jù)天線支撐桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過(guò)式 (1和式 (2可以計(jì)算得出支撐桿所受的最大應(yīng)力 max =6.98MPa 。另外,在自重作用下支撐桿撓度為:4B 8qL EI= (6根據(jù)支撐桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以計(jì)算出每根支撐桿的撓度 為 0.33mm 。在單獨(dú)考慮天線前部重量 F 和支撐桿自重 G 對(duì) ICRF 天線支撐桿作用的兩種情況進(jìn)行應(yīng)力和撓度 計(jì)算時(shí),支撐桿最大應(yīng)力 (最大彎矩 均出現(xiàn)在 x =0處,最大撓度也均出現(xiàn)在 x =L 處,因此,若同時(shí)考 慮天線重量 F 和自重 G 對(duì)支撐桿作用時(shí), 此時(shí)支撐 的最大

11、應(yīng)力和撓度應(yīng)為上述兩種計(jì)算結(jié)果的疊加,其計(jì)算結(jié)果為 max 60.84=MPa , B 2.485=mm 。根據(jù)上述計(jì)算公式可知, 支撐桿最大應(yīng)力和撓 度與天線支撐桿截面直徑和長(zhǎng)度有關(guān)。因此,對(duì) ICRF 天線支撐桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),選擇不同截 面直徑和長(zhǎng)度的支撐桿進(jìn)行應(yīng)力和撓度計(jì)算分析, 計(jì)算結(jié)果如圖 6和圖 7所示。圖 6 ICRF天線支撐桿應(yīng)力隨支撐桿截面直徑和長(zhǎng)度的變化情況圖 7 ICRF天線支撐桿撓度隨支撐桿截面直徑和長(zhǎng)度的變化情況64 核聚變與等離子體物理 第 32卷根據(jù)圖 6和圖 7計(jì)算結(jié)果可知, ICRF 天線支 撐桿在相同的長(zhǎng)度和相同的力作用下, 支撐桿應(yīng)力 隨著支撐桿截面直

12、徑的增大而減小, 支撐桿撓度也 隨著支撐桿截面直徑的增大而減少。 但是在相同截 面直徑和相同的力作用下, ICRF 天線支撐桿上的 應(yīng)力和撓度均隨著支撐桿長(zhǎng)度增大而增大。 EAST ICRF 天線支撐桿在原始長(zhǎng)度為 1100mm (即固定法 蘭支撐點(diǎn)與支撐桿末端之間的距離 ,根據(jù) EAST ICRF 天線移動(dòng)距離要求,天線支撐桿沿著 EAS 徑 向方向伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為 0200mm之間。在此伸長(zhǎng)范圍 內(nèi), ICRF 天線支撐桿截面直徑選擇 70mm 為最佳。 因?yàn)榇藚?shù)的支撐桿在伸長(zhǎng)長(zhǎng)度 0200mm 之間, 支撐桿的最大應(yīng)力均低于 50MPa ,最大撓度小于 2.3mm 即支撐最大變形小于 2.3

13、mm 。 此種情況下的 支撐桿最大應(yīng)力和撓度相對(duì)支撐桿材料的許用應(yīng) 力 145MPa 和支撐桿許用變形 5mm 均滿足要求。 2.2 ICRF 加熱天線支撐桿有限元分析為了進(jìn)一步檢驗(yàn)上面計(jì)算的合理性和正確性, 用有限元分析的方法對(duì)截面直徑為為 70mm 的支撐 桿, 長(zhǎng)度為 1100mm 進(jìn)行模擬分析。 在分析過(guò)程中, 支撐桿承受載荷為自重與 ICRF 天線前部重量的四 分之一的和。分析結(jié)果如圖 8所示。如圖 8所示,截面直徑為 70mm ,長(zhǎng)度為 1100 mm 的天線支撐桿在自重和 ICRF 天線前部重量作 用 下 , 其 最 大 應(yīng) 力 為 35.6MPa, 最 大 變 形 約 為 1.

14、4mm 。此結(jié)果與同等條件下通過(guò)理論公式計(jì)算結(jié) 果最大應(yīng)力 39.8MPa , 最大變形 1.31mm 非常相近, 而且都位于支撐桿的端部。3 結(jié)論結(jié)合 EAST 裝置 ICRF 加熱天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 描述了 ICRF 加熱天線的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì) 算分析。在計(jì)算過(guò)程中,通過(guò)理論公式分別計(jì)算了 不同截面直徑, 不同長(zhǎng)度情況下支撐桿的應(yīng)力和變 形情況。根據(jù)優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果,最后確定截面直徑 為 70mm 的支撐桿用來(lái)支撐 ICRF 天線天線的前部 重量。當(dāng) ICRF 天線沿著 EAST 裝置徑向方向移動(dòng) 200mm 時(shí), 天線支撐結(jié)構(gòu)的支撐桿最大應(yīng)力和最大 撓度 (最大變形 分別為 49.5M

15、Pa 和 2.29mm , 均低于 支撐桿材料的許用用應(yīng)力 145MPa 和許用變形 5mm 的設(shè)計(jì)要求。 并通過(guò)有限元分析的方法在同等條件 下對(duì)支撐桿進(jìn)行了相關(guān)的分析, 分析結(jié)果與理論公 式計(jì)算結(jié)果非常相近, 從而驗(yàn)證了理論公式計(jì)算方 法和結(jié)果的合理性和正確性。ICRF 天線的支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為同類裝置的設(shè) 計(jì)提供參考, 整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法為同類裝置 或同類支撐結(jié)構(gòu)提供有益的借鑒。 圖 8 ICRF加熱天線支撐桿應(yīng)力云 a 和變形云 b參考文獻(xiàn):1武松濤 . EAST工程概述 R. 合肥 : 中國(guó)科學(xué)院等離 子體物理研究所 , 2002.2陸志鴻 , 王恩耀 , 曾建爾 , 等 . HL-

16、1M裝置離子回旋共 振加熱系統(tǒng)及初步實(shí)驗(yàn) J. 核聚變與等離子體物理 , 2000, 20(1: 48.3趙培福 , 陸志鴻 , 曾建爾 , 等 . HL-1M裝置的 ICRH 系 統(tǒng) J. 核聚變與等離子體物理 , 2001, 21(2: 107. 4黃勤超 . EAST位形反演 EFIT 程序 R. 合肥 : 中國(guó)科 學(xué)院等離子體物理研究所 , 2006.5劉鴻文 . 材料力學(xué) M. 北京 : 高等教育出版社 , 2008. 3.第 1期 楊慶喜等:EAST ICRF天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 65Design and analysis of the support structure for

17、 EAST ICRF antenna YANG Qing-xi, SONG Yun-tao, SHI Shan-shuang, BIAN Hong-bo, ZHAO Yan-ping (Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science, Hefei 230031Abstract: In view of the vacuum sealing importance and the movable requirement of EAST ICRF antenna, the movable support structure is desi

18、gned to uphold the weight from the fore part of ICRF antenna. Based on the importance of the support structure of ICRF antenna, the calculations for the support structure using the formula have been carried out at first. Results of calculation are shown the stresses and the deformations of the support rod are varied with different section dimension and different length of the support rod. In addition, finite element method (FEM was applied to perform structural analysis for the support rod under the same conditions, results of analysis are very similar to the results of calc