east超导托卡马克装置主机支撑结构极低温条件下应力应变分析

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1、万方数据第33卷第3期2005年8月低温与超导CRYOGENICSANDSUPERCONDUCTIVITYV01．33No．3Aug．2005EAST超导托卡马克装置主机支撑结构极低温条件下应力应变分析潘皖江，武松涛，陈先忠(中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031)刘和文1，俞斐2(1．中国科学技术大学高分子科学与工程系；2．中国科学技术大学力学与机械工程系，合肥230026)摘要：报道了国家”九五”重大科学工程EAST超导托卡马克核聚变实验装置中心液氦冷却冷质部件的钢／高分子复合材料支撑装置在模拟冷却收缩条件下的应力应变分析结果。单个支撑结构由高分子复合材料桶状结构

2、固定在垂直薄板板簧结构上部组成。实验表明该支撑装置在顶部水平负荷作用下发生S型扭曲，而不是简单的悬臂梁式形变。支撑部件整体在试验范围内，在常温、低温条件下均对外加顶部水平推力呈线弹性形变。但在低温下，环氧树脂部件与不锈钢板簧结合部的应变，随外力呈非线性弹性形变，这与室温下的线性变化成鲜明对照。低温下整个部件刚性增加，与常温比较，同等水平位移需要的外力增加，但是环氧树脂部件上的应力反而较常温下显著减小；不锈钢板簧底部上部与环氧部件结合部应力则显著增加。关键词：高分子复合材料；托卡马克；应力应变分析1导论EAST超导托卡马克核聚变实验装置是国家”九五”重大科学工程，它是在我国第一

3、个超导托卡马克装置HT一7基础上的升级，将建造一个非圆截面全超导的托卡马克装置，它的建设和运行将对中国能源战略发展有深远的影响。EAST超导托卡马克装置超导磁体采用超临界4．5K氦迫流冷却，装置主机主要由超导磁体、真空室、外真空杜瓦及其它部件构成(图1(a))。其中由16个支撑结构构成的冷质部件是EAST装置主机的重要部件之一，主要用于支撑冷质部件及其附件的重量，另外支撑结构两端直接连接的是极低温度4．5—80K和室温两个温区，因此支撑结构除了有效保持冷质部件稳定的工作环境，还必须力求减少支撑结构对冷质部件的漏热。冷质部件在由室温降到4．5K工作温度时会向中心收缩，根据理论计

4、算，收缩造成支撑结构上端部向中心偏移约6．7毫米，偏移造成的应力也将由支撑结构承担。EAST超导托卡马克装置冷质部件支撑结构是整个装置主机的关键部件之一，它的结构对于其他冷质部件运行的安全性和可靠性，有着极为重要的意义[1]。EAST超导托卡马克装置采用板式柔性结构支撑，由均匀分布在同一个圆周上的十六个单个支撑结构统一完成。(图1(b))是单个支撑结构，由高分子复合材料、钢质冷却结构、薄板结构三部分组成，中间采用螺栓固定。薄板结构由8块薄板叠加而成，利用薄板垂直方向柔性大的特点，可以大大降低设备运行过程中由于冷支部件低温收缩引起的应力。而支撑结构顶端的复合材料结构主要是为了减

5、少支撑结构对冷支部件的热负荷。本项工作主要通过模拟支撑结构顶端承受由于设备收缩导致的水平推力时，测试分析常温和液氮温度下单个簿板支撑结构的应力应变情况，综合评估簿板支撑结构的力学性能，为复合材料在EAST装置中的应用提供依据。垂直方向上的受力可以通过简单叠加原则计算，但不在本工作范围内‘2I，国际上很多大科学工程目前一般都涉及低温工程技术，超导材料也越来越较为普遍地应用于国民生活中，因此本项工作对其它低温超导工程也有它的普遍参考价值。收稿日期：2005一03—30·29·万方数据第3期低温与超导第33卷(a)(b)(a)及单个支撑结构(b)示意图图1EAST超导托卡马克装置薄

6、越菇2实验部分仪器设备：应变采用电阻式应变仪测定，常温、低温应变片由中航电测仪器股份公司提供，用CM一1A一20型32点数字静态应变仪(北戴河电子仪器厂)读取静态应变数据。载荷用测力仪及压力传感器测定。每项试验平行进行3—4组，报告结果为这些试验结果的平均值(图2)。为了保证水平推力以及支撑结构顶部水平运动，载荷通过固定在水平滑轨上的厚钢板施加，钢板同时具有限制支撑结构顶部水平运动作用。测试时在支撑结构上沿按(图2(a))垂直纸面朝向读者方向施加水平推力。图2(a)中注明粘贴应变片的测试点位置，另一测对应位置也设有测试点。每测试点均按T型粘贴两片同样应变片，其中一片平行于主应

7、力方向，实验时，采取半桥式接法将这两片应变片连接到应变电桥相邻两臂上。每点实际测得应变为[3、5]：￡试验一￡o+／(T)一[￡上+厂(丁)]一e，一球矗=(1一％)e。(1)该点的主应变则为：e。=≠赴(2)1一班式(1)，(2)中，v。为主泊松比。，(n为应变片的温m仆、度系数，因此采用该法连接时，各测试点应变片自动进图2(a)应变片在冷质支撑结构上分布示意图(阴影部行部分温度补偿。测试不同水平推力下支撑结构中心分为保温槽，低温测试时保温槽内装满液氮)；偏离平衡位置距离以及各测试点应变，根据应变计算