EAST ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析_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:02546086(201201006105 收稿日期:20110620; 修訂日期:20110922 基金項目:國家 “ 九五 ” 重大科學工程子項目作者簡介:楊慶喜 (1980 ,男,江西吉安人,博士,主要從事電物理裝置設(shè)計與分析。EAST ICRF天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析楊慶喜,宋云濤,史善爽,卞紅波,趙燕平(中國科學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驗移動的要求,可移動支撐被設(shè)計用來支撐 ICRF 天線 前部重量。 通過理論計算公式對天線支撐結(jié)構(gòu)進行計算, 給出了不同截面尺寸、 不同移動距離下支撐桿應(yīng)力和變 形情況。 用有限元分析方法進行分析, 分析結(jié)果和理論公式計算結(jié)果非常相近, 滿足設(shè)計要求。 計算結(jié)果為支撐 桿優(yōu)化設(shè)計提供理論指導,計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:TL62+4 文獻標識碼:A1 引言EAST 超導托卡馬克裝置是目前國際上開展磁 約束高溫等離子體聚變實驗研究的主要裝置之一。 未來將利用 EAST 超導托卡馬克裝置開展先進

3、的托 卡馬克聚變反應(yīng)堆基礎(chǔ)物理問題的實驗研究, 實現(xiàn) 1000s 以上穩(wěn)態(tài)、安全、高效的先進運行模式的最 終目標 1。但是要實現(xiàn)此目標必須要發(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, 通過波 與等離子體的相互作用, 從而實現(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)計一 個支撐結(jié)構(gòu)來支撐天線前部重量。另外, EAST 裝

4、 置可進行三種等離子體位形的核聚變物理實驗, 即 圓截面位形、 大體積位形和大拉長位形 4 。 若在同 一輪物理實驗中需要進行不同等離子體位形的物理實驗,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。鑒于 ICRF 天線 支撐結(jié)構(gòu)的重要性,在設(shè)計過程中,需要對支撐結(jié) 構(gòu)計算和分析。2 ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析ICRF 天線主要由法拉第屏蔽、電流帶、法拉 第屏蔽保護結(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 主要通過固定法蘭、波紋管、移動法蘭和氟橡膠密 封圈通過螺栓緊固密封, 另一部分是真空傳輸線與 移動法蘭通過焊接連接密封。 若整個天線前部沒有 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)計一個支撐結(jié)構(gòu)來支 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,前端通過螺釘固定在天線箱體上,尾 部也通過螺釘固定在移動法蘭上, 支撐桿中部通過 銅套和螺栓安裝在固定法蘭上, 銅套和支撐桿為間 隙配合, 這樣使整個支撐結(jié)構(gòu)在液壓驅(qū)動作用下能 夠沿著 EAST 徑向方向移動。另外,由于整

6、個支撐 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)計算如圖 1所示, ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)對 ICRF 天線 前部起到重要的支撐作用, 若支撐結(jié)構(gòu)強度和剛度 不夠,則可能會對尾部密封結(jié)構(gòu)起到破壞作用。因 此需要對 ICRF 天線支撐結(jié)構(gòu)強度和剛度進行計 算,在計算過程中分為三步進行計算,分別為僅考 慮載荷,僅考慮自重,最后進行疊加計算。 通過 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)材料力學的相關(guān)原理可知, 常見的彎曲均 為橫力彎曲, 即存在正應(yīng)力的同時也伴隨著一定的 切應(yīng)力,但工程上彎曲應(yīng)力計算時通常忽略切應(yīng) 力, 因此該懸臂梁的應(yīng)力計算主要按照橫力彎曲的 正應(yīng)力公式。橫力彎曲時,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)。當圓 截面直徑為 d 時,有:332dW =(2 由于每根支撐桿同時受到天線前部重量 F 和自 重 G 的作用, 為了使計算過程簡單明了, 首先對兩 種載荷單獨作用在支撐桿上分別進行計算, 然

8、后再 將兩種情況下的計算結(jié)果進行疊加。 圖 3 ICRF天線支撐桿受力模型2.1.1 僅考慮天線前部重量 F基于支撐桿優(yōu)化設(shè)計的需要, 在對支撐桿應(yīng)力 和撓度進行計算分析時,首先選擇圓截面直徑為 60mm 的支撐桿進行計算分析。 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可計算得出支撐桿所受的最大應(yīng)力 max 為 53.8

9、6 MPa 。另外,在天線前部重量 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)計與分析 63撐桿的長度。 根據(jù)支撐桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以計算出每 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2.1.2 僅考慮支撐桿的自重ICRF 天線支撐桿在自重的作用下,通過材料 力學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

10、 M x L x =(5 圖 5 ICRF天線支撐桿在自重作用下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)通過式 (1和式 (2可以計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)可以計算出每根支撐桿的撓度 為 0.33mm 。2.1.3 支撐桿的自重和天線前部重量的疊加計算在單獨考慮天線前部重量 F 和支撐桿自重 G 對 ICRF 天線支撐桿作用的兩種情況進行應(yīng)力和撓度 計算時,支撐桿最大應(yīng)力 (最大彎矩 均出現(xiàn)在 x =0處,

11、最大撓度也均出現(xiàn)在 x =L 處,因此,若同時考 慮天線重量 F 和自重 G 對支撐桿作用時, 此時支撐 的最大應(yīng)力和撓度應(yīng)為上述兩種計算結(jié)果的疊加,其計算結(jié)果為 max 60.84=MPa , B 2.485=mm 。根據(jù)上述計算公式可知, 支撐桿最大應(yīng)力和撓 度與天線支撐桿截面直徑和長度有關(guān)。因此,對 ICRF 天線支撐桿結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,選擇不同截 面直徑和長度的支撐桿進行應(yīng)力和撓度計算分析, 計算結(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度的變化情況64 核聚變與等離子體物理 第 32卷根據(jù)

12、圖 6和圖 7計算結(jié)果可知, ICRF 天線支 撐桿在相同的長度和相同的力作用下, 支撐桿應(yīng)力 隨著支撐桿截面直徑的增大而減小, 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度增大而增大。 EAST ICRF 天線支撐桿在原始長度為 1100mm (即固定法 蘭支撐點與支撐桿末端之間的距離 ,根據(jù) EAST ICRF 天線移動距離要求,天線支撐桿沿著 EAS 徑 向方向伸長長度為 0200mm之間。在此伸長范圍 內(nèi), ICRF 天線支撐桿截面直徑選擇 70mm 為最佳。 因為此參數(shù)的支撐桿在伸長長度

13、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 2.3mm 。 此種情況下的 支撐桿最大應(yīng)力和撓度相對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一步檢驗上面計算的合理性和正確性, 用有限元分析的方法對截面直徑為為 70mm 的支撐 桿, 長度為 1100mm 進行模擬分析。 在分析過程中, 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 ,長度為 1100 mm 的天線支撐桿在自重

14、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 1.4mm 。此結(jié)果與同等條件下通過理論公式計算結(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, 描述了 ICRF 加熱天線的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計 算分析。在計算過程中,通過理論公式分別計算了 不同截面直徑, 不同長度情況下支撐桿的應(yīng)力和變 形情況。根據(jù)優(yōu)化的計算結(jié)果,最后確定截面直徑 為 70mm 的支撐桿用來支撐 ICRF 天線天線的前部 重量。當 ICRF 天線沿著 EAS

15、T 裝置徑向方向移動 200mm 時, 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 49.5MPa 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)計要求。 并通過有限元分析的方法在同等條件 下對支撐桿進行了相關(guān)的分析, 分析結(jié)果與理論公 式計算結(jié)果非常相近, 從而驗證了理論公式計算方 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)計為同類裝置的設(shè) 計提供參考, 整個支撐結(jié)構(gòu)的計算方法為同類裝置 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:1武松濤 . EAST工程概述 R

16、. 合肥 : 中國科學院等離 子體物理研究所 , 2002.2陸志鴻 , 王恩耀 , 曾建爾 , 等 . HL-1M裝置離子回旋共 振加熱系統(tǒng)及初步實驗 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 : 中國科 學院等離子體物理研究所 , 2006.5劉鴻文 . 材料力學 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)

17、設(shè)計與分析 65Design and analysis of the support structure for 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

18、EAST ICRF antenna, the movable support structure is designed 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 d