核聚變是解決未來(lái)能源的主要選擇之一，通過(guò)高溫等離子體研究以實(shí)現(xiàn)核聚變?yōu)槟康�。�?guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃是當(dāng)今世界最大的大科學(xué)工程國(guó)際科技合作計(jì)劃之一，也是迄今我國(guó)參加的規(guī)模最大的國(guó)際科技合作計(jì)劃。這將是受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)具有里程碑意義的科研合作項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在對(duì)基本聚變能技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用聚變能所需要的條件進(jìn)行試驗(yàn)。并將對(duì)“燃燒等離子體”方法進(jìn)行檢驗(yàn)。在高溫等離子體核聚變裝置中，等離子體狀態(tài)的測(cè)量是非常重要的工作。

　　ITER 水平診斷窗口插件是多項(xiàng)診斷共用的窗口插件，用于安裝可觀(guān)察和測(cè)量等離子體相關(guān)參數(shù)的診斷設(shè)備和儀器。等離子體的診斷主要是對(duì)等離子體的性質(zhì)狀態(tài)以及各種參量（即表征等立體體性質(zhì)和狀態(tài)的物理量）的測(cè)定，是等離子體實(shí)驗(yàn)研究首要解決的問(wèn)題。等離子體的診斷系統(tǒng)儀器和設(shè)備主要集中在診斷窗口插件內(nèi)部。而ITER 診斷窗口插件體積(2×2×3 m)和重量(大于43 t)均較大，且處于懸臂安裝狀態(tài)，在裝置運(yùn)行期間窗口插件將受到較大的電磁力和電磁力矩及自重作用。各個(gè)方向的電磁力和電磁力矩將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，而內(nèi)部集成的光學(xué)系統(tǒng)要求在ITER 裝置運(yùn)行期間不能有大的變形發(fā)生，否則將造成光學(xué)系統(tǒng)通路不暢，無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行等離子體的觀(guān)察測(cè)量。結(jié)構(gòu)上滿(mǎn)足設(shè)計(jì)將是最基本的要求，本文從窗口插件結(jié)構(gòu)介紹入手，進(jìn)而對(duì)窗口插件受到的載荷進(jìn)行分析后利用ANSYS 軟件對(duì)診斷窗口插件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并優(yōu)化，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足ITER 要求。

4、總結(jié)

　　本文通過(guò)經(jīng)典分析軟件ANSYS 對(duì)水平診斷窗口插件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。分析了水平診斷窗口插件在最大電磁載荷和自重的作用下不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形要求，通過(guò)優(yōu)化使得BSM板連接處的應(yīng)力由最初的720 MPa 降到14.6 MPa，提升法蘭處應(yīng)力由87.8 MPa 降到5.27 MPa，同時(shí)窗口插件其他部位應(yīng)力集中均得到較大改善。窗口插件最大變形從初始最大2.5 mm 降到小于1 mm，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了材料的要求，較小的變形將保證窗口插件中光學(xué)儀器的對(duì)準(zhǔn)性，同時(shí)為ITER 后續(xù)地震、熱等分析等提供理論依據(jù)。

　　【作者】 金傳山；胡慶生；許鐵軍；吳海龍；朱曉文；王旭迪；

　　【Author】 JIN Chuan-shan1,HU Qing-sheng2,XU Tie-jun2,WU Hai-long1,ZHU Xiao-wen1,WANG Xu-di1(1.Institute of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2.Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Science,Hefei 230031,China)

　　【機(jī)構(gòu)】 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院；中科院等離子體物理研究所；

　　【摘要】 ITER水平診斷窗口插件是用于安裝可觀(guān)察和測(cè)量等離子體相關(guān)參數(shù)的診斷設(shè)備和儀器的核心部件。窗口插件體積(2×2×3 m)和重量(大于43 t)均較大且處于懸臂安裝狀態(tài),在裝置運(yùn)行期間窗口插件將受到較大的電磁力和電磁力矩,結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度將受到影響,同時(shí)作用在窗口上的載荷將對(duì)窗口插件內(nèi)部集成的光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,容易造成光路不同。因此窗口插件結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化非常重要。本文根據(jù)ITER組提供的概念化模型建立有限元模型,分析其在受到最大電磁力、電磁力矩及自重情況下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。分析結(jié)果表明診斷窗口插件屏蔽板(BSM)連接處及提升法蘭處均有較大的應(yīng)力集中,通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析后,窗口插件在結(jié)構(gòu)上均能滿(mǎn)足強(qiáng)度和變形要求。

　　【Abstract】 The equatorial port plug(EPP) is a key part used for the installation of the diagnostic system/instruments to observe and measure the parameters relevant to plasma.With its big volume(2×2×3m) and heavy weight(over 43t) especially its cantilever-shape in installation,EPP is subjected to great electromagnetic force/torque thus affecting its structural strength.Moreover,the loads acting on EPP will affect the stability of optical system inside EPP so as to be easy to cause different optical paths.The structural analysis/optimization is therefore very important to EPP.According to the conceptual model provided by ITER(international thermonuclear experimental reactor),an FEA model based on the software ANSYS is developed to analyze how the maximum electromagnetic force/torque and gravity of EEP itself affect its structure.The results revealed that the stress is highly concentrated in both the positions where the BSM(blanket shielding module) is joined and the lifting flange is provided.The improved structural design and optimization analysis verified that the EPP structure is available to meet the requirements for both strength and deformation.

　　【關(guān)鍵詞】 水平窗口插件；電磁載荷；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析；

　　【Key words】 EPP(equatorial port plug)；electromagnetic load；structural optimization；FEA(finite element analysis)；