國際熱核聚變實驗堆（簡稱ITER）計劃是由中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度七方共同參與、目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際大科學工程合作項目之一。ITER計劃的目標是要利用氫的同位素氘、氚的聚變反應釋放出能量， 這一計劃的成功實施將有助于人類找到徹底解決能源危機的方法。中科院等離子所承擔了ITER 項目超導磁體的研發(fā)任務，超導磁體在經(jīng)過絞纜、穿管、縮管等工藝之后還需要進行真空檢漏試驗。本文主要介紹了超導磁體檢漏真空室及其真空機組的設計、優(yōu)化。

1、真空筒結(jié)構(gòu)設計

1.1、結(jié)構(gòu)介紹

　　導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。需要真空檢漏的導體為CICC（Cable- in- Conduit-Conductor）結(jié)構(gòu)，長約1000m,截面為54×54mm，將導體盤繞成直徑為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；中部加強筋為110×40mm；在下封頭內(nèi)側(cè)焊接了16道加強豎筋和環(huán)體支撐使下封頭均勻受力。整個真空室重約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，對制造過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格要求。

1.2、真空室壁厚計算

　　真空室的實際壁厚S 等于計算壁厚S0 加上壁厚附加量C

S=S0+C（mm）（1）

　　其中計算壁厚公式為:

式中D_B———圓筒內(nèi)徑，mm
　　P———外壓設計壓力，MPa
　　L———圓筒計算長度，mm
　　Et———材料溫度為t 時的彈性模量，MPa

　　真空室壁厚附加量按下式確定：

C = C1 + C2 + C3 （mm） （3）

式中C1———鋼板的最大負公差附加量（mm），本設計取C1=0.8
　　C2———腐蝕裕度（mm），本設計取C2=1
　　C3———封頭沖壓時的拉伸減薄量，本設計在計算圓筒部分厚度時取C3=0，在計算封頭厚度時取C3=3mm

　　本真空室設計壓力P 為一個標準大氣壓，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）式可知圓筒的計算長度L對壁厚影響很大，因此給出了如下兩種不同計算長度的結(jié)構(gòu)方案（即是否設置中部加強筋），并分別進行了壁厚計算。

1.2.1、不設置中部加強筋時的壁厚計算

　　真空室圓筒中部不設置加強筋時，圓筒的計算長度為L'=4840mm，代入（2）式可計算出圓筒計算壁厚S0':

　　由式（3）可計算出附加壁厚為:

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

　　由（4），（5）式得出不設置加強筋時圓筒的實際壁厚應該為：

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

1.2.2、設置中部加強筋時的壁厚計算

　　在圓筒中部設置一道110×40mm環(huán)向加強筋后計算長度L"變?yōu)?400mm，此時圓筒的計算壁厚S0"：

　　由（5）,（7）可得圓筒的實際壁厚應該為

S"=S0"+C=13.2+1.8=15mm （8）

　　采用中部加強筋后真空室圓筒壁厚可19.3mm減少到15mm，所以設置中部加強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，因為使用10% 碟形封頭要比使用標準橢圓形封頭時增加容量，同一內(nèi)徑同一板厚的封頭，10%碟形比標準橢圓形封頭的下料尺寸小，可節(jié)省材料,計算出封頭厚度為20mm。

1.3、基于ANSYS的壁厚優(yōu)化設計

　　我們知道為了保證壓力容器的安全性，按傳統(tǒng)的壓力容器設計方法計算出來的壁厚總是偏大。因此我們采用ANSYS有限元分析軟件對整個真空室進行了壁厚優(yōu)化設計。真空室設計外壓：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：通過壁厚的優(yōu)化設計，使得真空室在滿足給定的剛度和強度要求下總重量最小，材料最省。

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

圖1 真空室結(jié)構(gòu)圖　圖2 真空室力學幾何模型

　　根據(jù)真空室的結(jié)構(gòu)和受力特點，采用軸對稱結(jié)構(gòu)進行分析，在容器外壁垂直施加標準大氣壓力。真空室力學幾何模型如圖2 所示。選用真空室壁厚h1,h2 作為優(yōu)化變量，σ 為優(yōu)化設計中結(jié)構(gòu)的等效應力強度，其作為一個約束條件。因此可得真空室壁厚優(yōu)化設計的數(shù)學模型為：

　　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)心的是應力沿壁厚的分布規(guī)律及大小，故在校核時只要分析沿壁厚某個截面的[σ]即可。將以上幾何模型與數(shù)學模型代入ANSYS，即可得到真空室的優(yōu)化設計壁厚為，h1=8 mm，h2=10 mm，此時整個真空室的最大應力值為108 MPa＜[σ] = 122 MPa，最大應力值出現(xiàn)在在封頭過渡圓內(nèi)側(cè)。圖3 為ANSYS 計算出的真空室應力圖。