NBI綜合測試臺真空筒體的靜力分析
1、建立有限元模型及設定邊界條件
真空筒體的筒體、離子源連接蓋板、漂移管道連接蓋板、C 型腹板的材料屬性如前, 幾何模型經簡化和清理后劃分的單元數量1793069 個, 節點數量633403 個。
整段筒體是放置于鏈輪導軌上的, 鏈輪通過鞍座與C 型腹板橫梁相連接, 在對筒體進行模型簡化時, 去除了鏈輪以及導軌, 只保留了底部橫梁與鏈輪的連接塊, 因此將約束施加在底部橫梁的連接塊上。
2、施加載荷
筒體為真空, 真空室內與蓋板外的壓強差為一個標準大氣壓, 因此, 對筒體外壁需要施加一個標準大氣壓的外載荷, 大小為0.1103 MPa。
各連接件的受力大小按照表2 中的計算結果,對各個連接件進行載荷的施加。
3、模擬結果
通過求解器對整段筒體有限元模型進行求解后, 得到真空筒體的應力云圖和位移云圖, 如圖4 和圖5 所示。
圖4 真空狀態下筒體應力云圖
圖5 真空狀態下筒體位移云圖
如圖4 和圖5 模擬結果所示, 真空筒體的最大應力為78.09 MPa, 最大位移為1.138 mm, 最大應力和最大位移均出現在離子源端蓋上, 最大應力主要集中在離子源端蓋與蓋板連接的螺栓孔與方形孔處; 材質為AL.ALY. 6061-T6 的各段筒體處, 最大應力值為68.59MPa, 除了由于大氣壓所產生的壓力而造成筒體普遍應力分布外, 應力主要集中在各段筒體內部件的連接件處。
4 、結果分析
從分析結果來看, 筒體部分的最大應力68.59MPa, 小于所選材料AL. ALY. 6061-T6 的屈服極限276 MPa; 端蓋部分的最大應力78.09MPa, 也小于所選材料SST304 的屈服極限205 MPa。因此, 整段筒體的強度和剛度都在相應材料的屈服極限范圍內,整段筒體的結構符合要求。
從經濟角度以及材料使用來考慮, 筒體各段的強度、剛度條件都是遠低于材料的屈服極限, 造成了成本的提高以及材料的浪費, 因此根據分析結果, 可以對真空筒體的材料和幾何結構進行合理的改進。如果更改真空筒體材料, 則需要對材料的選取進行重新評估, 項目最初選擇AL. ALY. 6061-T6、SST304 兩種材料, 經過了具體充分的考慮和論證。
因此, 在材料不更換的情況下, 可以通過結構優化設計中的尺寸優化方法, 綜合考慮尺寸厚度大小、材料的充分應用以及節約經濟成本三方面選擇合理的優化方案。
表3真空筒體各主要部件的應力、位移值
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NBI綜合測試臺真空筒體的結構分析及優化
