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国际热核聚变实验堆ITER是人类应对能源危机,发展清洁、可持续能源的重要途径。校正场底部线圈(BCC结构)是ITER的重要组成部分,用于补偿由于线圈的安装误差、制造误差、变形误差以及其他误差引起的磁场分布误差,受到由TF线圈变形引起的位移约束、电磁力荷载和支撑处螺栓预紧力的作用,本文针对BCC结构的力学性能进行有限元分析,为设计和制造提供理论依据。
由于BCC结构各组合部件三个方向尺寸的巨大差异,将结构均匀化模型和局部细化模型分步组合。先通过有限元分析获得位移约束和电磁力荷载条件下均匀化模型的位移场和应力场,确定BCC结构的薄弱部位;然后建立针对薄弱部位的局部细化模型,采用MPC方法将局部细化部分与均匀化部分连接,对薄弱部位进行精细分析,得出薄弱部位的应力场。
针对BCC结构支撑处螺栓,提出在螺栓预紧力单独作用下线圈盒上产生40MPa、120MPa应力即认为压实的条件,通过试算得出需要在螺栓作用区域施加的压力值,对受到位移约束、电磁力荷载和螺栓预紧力作用下的BCC结构进行安全校核,并采用ASME规范的线性化准则对线圈盒最大米塞斯应力位置处的应力进行校核。
分析结果表明:由米塞斯屈服准则可判定除线圈盒外BCC结构其它部件在位移约束和电磁力荷载条件下均在许用应力范围内工作;确定了螺栓位置处的预紧应力,可用于BCC结构的安装;支撑处螺栓的预紧力仅对支撑局部的应力有影响,对整个BCC结构的应力分布未产生影响;对线圈盒的应力线性化分析结果表明,线圈盒在许用应力范围内工作,因此,认为BCC结构合理、安全、可靠。