國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（簡(jiǎn)稱ITER）計(jì)劃是由中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)、印度七方共同參與、目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際大科學(xué)工程合作項(xiàng)目之一。ITER計(jì)劃的目標(biāo)是要利用氫的同位素氘、氚的聚變反應(yīng)釋放出能量， 這一計(jì)劃的成功實(shí)施將有助于人類找到徹底解決能源危機(jī)的方法。中科院等離子所承擔(dān)了ITER 項(xiàng)目超導(dǎo)磁體的研發(fā)任務(wù)，超導(dǎo)磁體在經(jīng)過(guò)絞纜、穿管、縮管等工藝之后還需要進(jìn)行真空檢漏試驗(yàn)。本文主要介紹了超導(dǎo)磁體檢漏真空室及其真空機(jī)組的設(shè)計(jì)、優(yōu)化。

1、真空筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1、結(jié)構(gòu)介紹

　　導(dǎo)體檢漏真空室主要由：上封頭、中部筒體、下封頭、支撐底腳、焊接法蘭圈、中部加強(qiáng)筋、及內(nèi)部環(huán)體支撐等部件組成， 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。需要真空檢漏的導(dǎo)體為CICC（Cable- in- Conduit-Conductor）結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約1000m,截面為54×54mm，將導(dǎo)體盤(pán)繞成直徑為4m的圓環(huán)后放入檢漏真空室檢漏，因此中筒內(nèi)徑需要4600mm，中筒高度4260mm；上、下封頭采用冷沖壓法制造的10% 碟形封頭，內(nèi)徑4600mm，高度900mm；中部加強(qiáng)筋為110×40mm；在下封頭內(nèi)側(cè)焊接了16道加強(qiáng)豎筋和環(huán)體支撐使下封頭均勻受力。整個(gè)真空室重約23.5噸，全部采用304不銹鋼材料制造。為滿足容器的真空度要求，對(duì)制造過(guò)程中真空室焊縫的焊透性、平整度、內(nèi)部表面光潔度及密封法蘭的平面度和密封槽的表面光潔度等工藝提出了嚴(yán)格要求。

1.2、真空室壁厚計(jì)算

　　真空室的實(shí)際壁厚S 等于計(jì)算壁厚S0 加上壁厚附加量C

S=S0+C（mm）（1）

　　其中計(jì)算壁厚公式為:

式中D_B———圓筒內(nèi)徑，mm
　　P———外壓設(shè)計(jì)壓力，MPa
　　L———圓筒計(jì)算長(zhǎng)度，mm
　　Et———材料溫度為t 時(shí)的彈性模量，MPa

　　真空室壁厚附加量按下式確定：

C = C1 + C2 + C3 （mm） （3）

式中C1———鋼板的最大負(fù)公差附加量（mm），本設(shè)計(jì)取C1=0.8
　　C2———腐蝕裕度（mm），本設(shè)計(jì)取C2=1
　　C3———封頭沖壓時(shí)的拉伸減薄量，本設(shè)計(jì)在計(jì)算圓筒部分厚度時(shí)取C3=0，在計(jì)算封頭厚度時(shí)取C3=3mm

　　本真空室設(shè)計(jì)壓力P 為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，圓筒內(nèi)徑D_B為4600mm，總高6300mm，其中上下封頭各高900mm，材料常溫下的彈性模量Et 為2.06×10⁵ MPa。由（2）式可知圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度L對(duì)壁厚影響很大，因此給出了如下兩種不同計(jì)算長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)方案（即是否設(shè)置中部加強(qiáng)筋），并分別進(jìn)行了壁厚計(jì)算。

1.2.1、不設(shè)置中部加強(qiáng)筋時(shí)的壁厚計(jì)算

　　真空室圓筒中部不設(shè)置加強(qiáng)筋時(shí)，圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度為L(zhǎng)'=4840mm，代入（2）式可計(jì)算出圓筒計(jì)算壁厚S0':

　　由式（3）可計(jì)算出附加壁厚為:

C=C1+C2+C3=0.8+1+0=1.8mm (5)

　　由（4），（5）式得出不設(shè)置加強(qiáng)筋時(shí)圓筒的實(shí)際壁厚應(yīng)該為：

S'=S0'+C=17.5+1.8=19.3mm (6)

1.2.2、設(shè)置中部加強(qiáng)筋時(shí)的壁厚計(jì)算

　　在圓筒中部設(shè)置一道110×40mm環(huán)向加強(qiáng)筋后計(jì)算長(zhǎng)度L"變?yōu)?400mm，此時(shí)圓筒的計(jì)算壁厚S0"：

　　由（5）,（7）可得圓筒的實(shí)際壁厚應(yīng)該為

S"=S0"+C=13.2+1.8=15mm （8）

　　采用中部加強(qiáng)筋后真空室圓筒壁厚可19.3mm減少到15mm，所以設(shè)置中部加強(qiáng)筋的方案比上一方案更優(yōu)，節(jié)省鋼材約2噸。真空室上下封頭采用冷沖壓法制造的10%碟形封頭，因?yàn)槭褂?0% 碟形封頭要比使用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭時(shí)增加容量，同一內(nèi)徑同一板厚的封頭，10%碟形比標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的下料尺寸小，可節(jié)省材料,計(jì)算出封頭厚度為20mm。

1.3、基于ANSYS的壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　我們知道為了保證壓力容器的安全性，按傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)方法計(jì)算出來(lái)的壁厚總是偏大。因此我們采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)整個(gè)真空室進(jìn)行了壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)。真空室設(shè)計(jì)外壓：P=0.1MPa材料的彈性模量：Et=2.06×10⁵ MPa泊松比：μ =0.3優(yōu)化目標(biāo)：通過(guò)壁厚的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得真空室在滿足給定的剛度和強(qiáng)度要求下總重量最小，材料最省。

　　我們給定真空室圓筒的計(jì)算壁厚（只考慮受外壓影響）參考范圍為h1∈（7，12）上下封頭的計(jì)算厚度參考范圍為h2∈（9，15），許用應(yīng)力[σ] = 122 MPa。

圖1 真空室結(jié)構(gòu)圖　圖2 真空室力學(xué)幾何模型

　　根據(jù)真空室的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在容器外壁垂直施加標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。真空室力學(xué)幾何模型如圖2 所示。選用真空室壁厚h1,h2 作為優(yōu)化變量，σ 為優(yōu)化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力強(qiáng)度，其作為一個(gè)約束條件。因此可得真空室壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：

　　其中f(X)表示真空室的總重量，X是壁厚h1,h2的函數(shù)。在分析中，我們關(guān)心的是應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及大小，故在校核時(shí)只要分析沿壁厚某個(gè)截面的[σ]即可。將以上幾何模型與數(shù)學(xué)模型代入ANSYS，即可得到真空室的優(yōu)化設(shè)計(jì)壁厚為，h1=8 mm，h2=10 mm，此時(shí)整個(gè)真空室的最大應(yīng)力值為108 MPa＜[σ] = 122 MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在在封頭過(guò)渡圓內(nèi)側(cè)。圖3 為ANSYS 計(jì)算出的真空室應(yīng)力圖。