数和加强筋的数目,使其在临界压力载荷作用下的应力分布.docVIP

摘 要：在确保结构的强度可靠性能前提下，为了获得ITER 过渡馈线S 弯盒的最优结构参数和加强筋的数目，使其在临界压力载荷作用下的应力分布更加均匀合理、耗材相对较小。本文在对设置不同加强筋数目的S 弯盒进行了参数化建模及静力分析校核的基础上，通过ANSYS优化设计模块，以S 弯盒的总体位移为目标函数、以最大应力和合理的质量为状态变量、以壁厚尺寸和加强筋间距尺寸为设计变量进行了优化分析。优化分析的结果表明：当S 弯盒加强筋数量N取3；最大等效应力从108Mpa下降到100Mpa、降低幅度为7.41%；重量从6830Kg下降到6603Kg、降低幅度为3.32%；最大位移从1.694mm下降到1.411mm，降低幅度为16.70%时，S弯盒达到最优解。通过优化设计获得的S 弯盒结构参数和加强筋的数目，满足了设计要求，应力分布更加均匀合理，提高了S 弯盒的可靠性和安全性，为下一步研制S弯盒提供了技术参数和依据。 1.ITER 过渡馈线S 弯盒是一个长方形的薄壁真空压力容器，主要用于容纳超导母线Busbar和冷却管路的S 形弯曲部分。根据ITER 国际组提供的资料，S 弯盒的长度为3500mm、高度1500mm、宽度1430mm。其工作条件为：外部为室温、大气压力，内部为低温、真空环境。正常工作时容器内外的压力差为0.1MPa、故障态时的内部压力上升到0.2MPa，选用的材料为304不锈钢。 2．ITER过渡馈线S 弯盒有限元模型 2．1 S 弯盒不同结构模型的建立及静力学分析 根据ITER设计文集提供的结构尺寸，利用ANSYS软件提供的Shell 181 单元对S 弯盒进行结构建模和静力学分析，分析结果如表2所示。 通过结构静力分析结果表明了S弯盒体设置加强筋的必要性，这是提高模型强度最经济的措施。设置加强筋后，壁厚对模型的影响也大，壁厚较小时模型响应的位移比较大，响应的应力超出了许用应力值；壁厚较大超过一定值的时候，模型响应的位移和应力没有较大的变化，说明壁厚并非越大越好。 S弯盒体各个面板的厚度、加强筋的间距尺寸和加强筋位置，将对结构强度有很大的影响。因此为了改善结构的受力状态，确保容器的安全性与可靠性的前提，必须对模型进行优化设计。 2．2 S 弯盒的结构参数初始值的确定 盒体壁厚的确定，可按照矩形平板理论进行计算得到： 式中，δmin 为壳体最小的实际壁厚；C 为壁厚的附加量，包括板材附加量和材料的腐蚀裕量，取值为1.5mm；[σ]min 为轧钢的弯曲许可应力(取材料拉伸时)的最小应力值；B 为平行板的窄边的长度（当设计加强筋后，B即为筋板分割后的小平面的短边长度）。设计加强筋的取值范围为500-1200mm，故δmin≥11.1mm。 S 弯盒左右两端分别与过渡馈线中的In-duct直线段管、线圈终端盒CTB 连接，考虑到这两个端面不能设置加强筋进行结构补强、而且又有开孔情况，故这两端面板的厚度初始设计取值为40mm。因顶端和底端也没有设置加强筋进行结构补强，则这两面的板厚度初始设计也取值为40mm。盒体内部设置的加强板厚度始终采用20mm，其它设置了加强筋的面板（包括加强筋）厚度初始设计取值均为20mm。 2．3 优化模型的建立及结构静力学分析 根据ITER设计文集提供的结构尺寸和前节取定的结构设计数值，利用ANSYS软件提供的Shell 181 单元对S 弯盒进行结构建模和静力学分析，结构的位移和应力分析云图结果如图2所示。 图2 优化前的位移和等效应力分布云图（加强筋数目为3时） 3． S 弯盒结构的优化设计 3．1 优化设计的数学原理 优化问题的基本原理是通过优化模型的建立,运用各种优化方法,在满足设计要求的条件下通过迭代计算,求得目标函数的极值,得到最优方案。S弯盒的数学模型建立如下: 其中, U(X) 为目标函数; Xi 为设计变量; Wi(X) 和Si(X) 为状态变量; l 和m 为状态变量的个数。 目标函数是表示设计特征的独立变量,是最小化的函数,本文的目标函数分别为WT（质量）和USUM（位移）。设计变量表示要受到改变的设计输入参数项, 本文的设计变量为壁厚和加强筋间距,每一个设计变量都要有上下限。状态变量是基于用户指定的准则,用来判断设计的模型响应参数项, 本文的状态变量分别为SEQV(应力)、USUM（位移）和SEQV（应力）、WT（质量）,每个状态变量应规定上限或下限,用以表达决定设计可行性的工程准则。目标函数和状态变量通过最小二乘法由设计变量逼近求得。 3．2 优化方案 因S弯盒的质量要求不高，力求合理就行，则此次优化可以看做是一个多目标函数的优化问题，本文通过主要目标法求解。首先，将两个目标函数按其重要程度作出排序，对于此问题其排序为WT（质量）,U