ITER纵场磁体支撑变更设计的螺栓问题探讨.docx

2 0 1 0 年 9 月Nuclear Fusion 2 0 1 0 年 9 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Sep. 2010 文章编号：0254?6086(2010)03?0255?06 ITER 纵场磁体支撑变更设计的螺栓问题探讨 侯炳林，李鹏远，潘传杰，韩石磊 (核工业西南物理研究院，成都 610041) 摘 要：用解析法分析了螺栓的受力情况，计算出了螺栓的预紧力，设计了各种螺栓的参数，介绍了变更设 计中用超级螺栓来防松的问题，提出了用全尺寸的螺栓模型和支撑结构的装配模型进行实际工程测试研究来增加 设计的可靠性，为 ITER 纵场磁体支撑的螺栓结构设计提供了工程参考。 关键词：ITER纵场支撑；螺栓预紧力；解析法；全尺寸测试 中图分类号：TL62+6 文献标识码：A 1 引言 国际热核聚变实验堆(ITER)是美国、日本、欧 盟、中国和俄罗斯等7方参与的大型国际大科学合 作项目，其中ITER磁体支撑是中国核工业西南物理 研究院承担的ITER采购包任务之一。经过先期的预 研工作，发现高氮316LN奥氏不锈钢在焊接后，由 于氮的析出导致材料的强度降低[1]。为了减少焊接 缺陷与风险，对ITER纵场磁体重力支撑进行了取消 焊接用螺栓联结的变更设计，并对新设计进行了有 限元力学分析[2~4]。但在这些文献中，建模时都对 螺栓进行了简化，忽略了螺纹的具体结构，不能准 确计算螺纹的强度。本文采用解析方法，探讨了纵 场重力支撑结构中的几种不同作用的螺栓设计，为 进一步合理的螺栓优化设计提供数据参考。 螺栓联结的变更设计。文献[2]是初步的变更设计结 构。本文在该结构的基础上对它的各种螺栓进行优 化设计，新设计的结构如图1所示。为了保险起见， 夹紧螺栓数量增加了，螺栓直径变小了。上夹紧螺 栓数量比先前的数量增加了4。由于上夹紧螺栓数 量的增加和结构尺寸的限制，上竖直螺栓数量比原 来的数量增加4，分成了两种不同直径的螺栓，分 别为上联接螺栓和上压紧法兰螺栓。同样，下竖直 联接螺栓数量比原来的数量减少了10，只有26个螺 栓，也分成了两种不同直径的螺栓，分别为下联接 螺栓和下压紧法兰螺栓。 2.2 工况概述 ITER纵场磁体支撑结构不但承载着100MN的 磁体系统(纵场线圈TF，极向场线圈PF和校正场线 圈CC)的净重量，而且在ITER运行过程中将承载着 比现有的国际大型聚变装置要大得多且的也复杂 得多负荷，如发生垂直不稳定位移的负荷。因此，它 的结构安全性十分重要，它关系到整个ITER的安全。 2 结构与工况概述 2.1 结构 在ITER原始参考设计里，纵场支撑座部件的材 料选用低碳高氮的316LN[5]奥氏不锈钢。支撑结构 包括21块梯形韧性板(每块厚度为30mm、高度为 2250 mm)、上法兰(厚度为150mm)和下法兰(厚度为 200mm)，它们用真空电子束焊接，且任何相邻两 韧性板之间的间隙为19mm。对于这种结构，焊接 非常困难；而且由于焊接后结构的氮含量降低而导 致结构的强度降低，于是对支撑结构进行了完全用 [6] ITER纵场磁体重力支撑运行工况多达18种以上 ，作 用在其上的载荷等级分为A、B、C和D级，其中，D 级是最严重的但发生概率比较小的工作情况。 3 螺栓解析法分析的理论基础 3.1 用有限元法分析的缺陷 由于螺杆螺纹与螺母螺纹的接触面为一空间 收稿日期：2010?01?18；修订日期：2010?05?31 作者简介：侯炳林(1972?)，男，四川省安岳县人，博士，高级工程师，主要从事聚变装置结构研究工作。 第 30 卷256核聚变与等离子体物理图 1 螺栓优化后的支撑结构示意图1——上夹紧法兰；2——韧性板；3——下夹紧法兰；4——下隔板；5——上隔板；6——上联结螺栓；7——上夹紧螺栓；8——下联结螺栓；9——下夹紧螺栓；10——下压紧法兰螺栓；11——上压紧法兰螺栓；12—— 第 30 卷 256 核聚变与等离子体物理 图 1 螺栓优化后的支撑结构示意图 1——上夹紧法兰；2——韧性板；3——下夹紧法兰；4——下隔板；5——上隔板；6——上联结螺栓；7——上夹紧螺栓；8——下联结螺栓；9—— 下夹紧螺栓；10——下压紧法兰螺栓；11——上压紧法兰螺栓；12——上压紧法兰；13——下压紧法兰。 螺旋面，它们之间的作用力为一般的空间力系。由 于螺纹升角的存在，螺纹连接处强度分析属于接触 分析, 接触问题是一种高度非线性行为，螺纹接触 示意图如图2所示。用有限元法建立3维实体接触分 析模型非常复杂。一般在计算模型中忽略螺纹升角 的影响[7, 8]，将螺纹螺栓结构简化为二维，利用一 系列具有标准牙型的周向环状凸缘代替连续螺纹， 把它简化成轴对称问题，用二维几何模型