梁岗明”，闫喜江'，莫春华，候炳林”，李鹏远”，简广德”，刘德权²，周才品”
（1.四川大学制运科学与工程学院，西间成都610065：2.桃工业西南物理研究院，国川成都610041）
要：针对ITER重力支撑系统的特点，提出了ITER重力支撑系统的有限元静力分析方法，应用ANSYS软件，建立了ITER重力支撑系统三维实体模型，采用精度比较高，且计算规模又可以接受的单元网格划分方法，进行网格划分.在Volue之间的界面上定文接触单元，得到了支撑系统有限元模.对同时受静载荷与地震载荷作用的ITER重力支撑系统进行了有限元静力分析，获得了支撑系统各零 件的应力分布及最大应力、分析了这些零件的强度.结果表明：TF腿、韧性板、环形支撑和支撑围柱的最大应力分别出现在TF题与等效环向壳连接处，锈性板与其下法兰焊楼的揭角处、环形支撑上端面与其内部加强筋的交接处、支撑圆柱的上端面，这些最大应力都小于其相应的许用应力，按照ASME压力 容器评定标准，支撑系统各零件均满是强度要求，静力分析的结果为ITER重力支撑系捷的设计或改进提供了可靠的理论依据.
关键调：ITER重力支撑系统：有限元：接触单元：静力分析
中图分类号：TH123.3文献标识码：A 文章编号：0258-0918（2010）02-0150-05
FEM static analysis for the ITER gravity support system under the bined action of the deadweight and seismic loads
LIANG Shang-ming’ YAN Xi-jiang′ MO Chun-hua HOU Bing-lin′ LI Peng-yuan°JIAN Guang-de² 1LIU De-qunn° . ZHOU Cai-pin²
(1. School of Manufacturing Science and Engineering Sichuae University Chngdu of Sichas G10065 China;2. Southwestern Institute of Pbysies Chengdu of Sichuan 61o041 China)
Abstract; According to the characteristies of the gravity support system of ITER a finite element static analysis method of the system was proposed ANSYS was applied to builtthe thre dimensional model of the system. A mesh dividing method. which has highprecision and an acceptable calculating scale was used. After the mesh of the model hadbeen divided the contact elements were defined on interfaces between volumes. Thefinite element static analysis of the gravity support system under the dead weight and
seismic loads was performed The stress distributions and the maximal stress values ofall parts of the gravity support system were obtained. and the stress strength of the parts was analyzed. The results showed that the maximum stresses of the TF leg. theflexible-plate the ring support and the support column oeeur respectively on the joint ofTF leg and equivalent toroidal shell at the corner of the weld joint of the flexible-plateand its lower flange on the joint of the upper transverse plane and internal stiffening rib of the ring support. and on the support column's upper transverse plane. These maxi-mum stresses are smaller than their respective allowable stress limits. Ail parts of thegravity support system have enough mechanical strength according to the ASME See III-NF Code. The results of static analysis lay the solid foundation for the design and improvement of the gravity supports system of ITER.
Key words ITER gravity supports; finite eiement; contact element; statie analysis
国际热核实验反应堆ITER（TheInternational Thermonuclear Experimental Reactor) 被称作“人造太阳“热核试验装置.它将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验，解 决通向聚变电站的关键间题，目前，ITER计划还处于探索阶段.ITER重力支撑系统必须要有足够的强度，这是ITER装置正常工作的基本保证之一.因此，分析ITER重力支撑系 统在静载荷与地震载荷同时作用下的强度间题，具有重要的实际意义.应用有限元法，对同时受静载荷与地震载荷作用ITER重力支撑系统进行了有限元静力分析.
图1ITER重力支撑系统的环向20结构示意图Fig. 1 Sehematie diagram of toroidal 20* seetorof the gravity support system of ITER
1ITER重力支撑系统有限元模 型的建立
端宽1.5m），韧性板上、下端分别与上法兰，下法兰焊接.
1.1ITER重力支撑系统简介
1.2实体模型的建立
ITER重力支撑系统由18个相同的均匀排列在同一圆周上的支撑腿组成，高约13m，外围直径约21m，如图1所示为支撑系统 的环向20°局部结构示意图，亦即一个支撑腿的结构简图，支撑系统主要包含以下零件：TF腿、TF腿法兰、韧性板、上法兰、下法兰、上法兰剪切键、下法兰剪切键、上法兰联接螺栓、环板外缘凸台、环形支撑、支撑圆桂上端联接螺 下法兰联接螺栓、低温恒温器环板、低温恒温器栓、支撑圆柱，每个支撑有21块韧性板（韧性板厚0.03m，高2.25m，上端宽1.035m，下
成的大型复杂结构，且多处存在零件与零件之 ITER重力支撑系统是由许多零件装配面间的接触，对该系统既使利用配置较好的计算机进行建模和分析计算，也要花费大量的时间甚至也无法完成.为使有限元分析联利进行， 并缩小求解规模，在建立ITER重力支撑系统有限元模型时，进行如下合理规划：
（1）对焊接形成的组合板零件，其材料为连续分布.
受剪力. （2）联接螺栓为受拉螺栓，只受轴向力、不
（3）将支撑系统的各零件视为弹性体，只发生弹性变形.
（4）支撑系统中分布着键槽、倒角、垫片以及螺栓联接孔等各种局部小结构，在建立实体模型时将这些结构予以忽略.
1.2.1磁体系统的建模
ITER重力支撑系统所支撑的磁体系统重约10t，在径向和环向有很大的机械刚度.因此，在建立支撑系统有限元模型时，将磁体系统体单元模拟. 等效成一个厚度为3m刚性环向壳，用三维壳
1.2.2法兰、韧性板以及其他板壳零件的建模
选择具有实体功能的三维壳体单元模拟法兰、扬性板以及其他板壳零件，并根据零件实际厚度定义实常数.法兰与其相邻零件之间的接 触，环形支撑下表面与支撑圆柱上表面之间的接触都是面接触，接触属于高度非线性行为，对其可用面面接触单元模拟.于是在TF睡法兰与上法兰之间、下法兰与环形支撑上表面之 间、环形支撑下表面和支撑圆柱上表面之间均定义接触单元，分别用TARGE170单元、CONTA173单元模拟目标面和接触面.
1.2.3螺栓、剪切键的建模
根据螺栓的实际长度，定义关键点连接关键点生成联接螺栓，然后定义螺栓刚度和螺栓有效横截面面积.为了给螺栓施加预紧力，在螺栓轴线的中点定义预紧单元PRETS179.
四个上法兰剪切键中的每个键都被垂直于键长方向的平面分割成完全相同的两块，每块都被看成一个剪切面，用三维壳体单元模拟：同样，四个下法兰剪切键中的每个键都被垂直于 键长方向的平面分成完全相同的四块，每块都被看成一个剪切面，也用三维壳体单元模拟.
法兰、螺栓和剪切键用具有不同自由度的单元模拟，对法兰与螺栓和法兰与剪切键的协调关系都采用约束方程描述.
1.3各零件材料属性的确定
各零件材料的力学性能参数如表1所示.
1.4确定单元属性进行网格划分
簧-阻尼单元和三维壳体单元进行网格划分， 对ITER重力支撑系统的实体模型选择弹用两节点的弹簧-阻尼单元COMBIN14对联接
螺栓进行网格划分，通过设置，将螺栓均沿拉伸和抗扭转的能力.因支荐系统中的板壳零 其输线划分为3段.COMBIN14单元具有抗件均具有较规则的轴对称形状，故选用结构静力分析单元SHELL63对其进行映射网格划分.SHELL63是三维4节点壳体单元，每个 节点都具有6个自由度.SHELL63单元既具有弯曲能力又具有薄膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载，对于支撑系统中的剪切键，用ANSYS提供的专用剪切单元SHELL28进行映射网格划分.上述网格划分方法与自由网格 划分相比可得到较规则的网格和较合适的单元数，使计算量大大减小，面计算结果的误差甚小.经过以上操作得到图2所示的有限元模型网格划分图.
表1各零件材料的性能参数Table 1Material characteristics of parts
等都件 名称 弹性模量/ MPa 泊松比 (kg/m²) 密度/等效环向壳 2.0× 10° 0.3 2.01×10TF及其法兰， [.93×10 0.291 6.03×10性板-上、下族兰 2 00×10′ 0 298 8 19×10环形支撑低退恒湿者 图切键，联接螺栓环板、支撑图柱 1 95× 10° 0 290 7. 90× 10*
图21TER重力支律系统的网格图
Fig. 2 Mesh figure of the gravity support system of ITER
1.5施加位移边界条件
2.1预紧力的施加
2.2静载荷的施加
2.3地震力的施加
该模型具有37332个SHELL63单元；1440个SHELL28单元；2736个COMBIN14单元：1368个PRETS179单元：接触副共有 8046个TARGE170单元，6156个CONTA173单元：整个模型共有233640个DOF.
束圆柱底端面节点6个自由度，取自由度 支撑图柱底端面与装置底板完全固定，约值为0.低温恒温器环板的径向边缘凸台环向固定，对凸台约束其节点自由度UY，取自由度值为0.
2支撑系统有限元模型载荷的施加
ITER重力支撑系统受两种不同类型的工存在一定的初始预紧力]. 作载荷（即静载荷和地震力作用），且系统内部
在第一载荷步中，依据表2对每个预紧单元施加预紧力，然后在第二载荷步中领定.
表2螺栓预紧力Table 2 Pre-loading of the bolt
据检位置 螺检型号 预紧力/N上法兰螺栓 下法兰螺栓 36-M100 20-M80 1. 36E6 1. 45E6支撑图柱上螺栓 20-M80 4. 34E5
静载荷包括作用在支撑系统上的磁体系统重量100MN和支撑系统自重12MN.将磁体系统重量100MN以惯性力形式均匀分布在等效环向壳上，支撑系统自重12MN也以惯性力形式加载.
根据加速度反应谱理论，单质点弹性体系的等效地震力F的计算公式为：
式中：3为动力系数：为地震系数：G为质点重力.
视磁体系统为单质点弹性体系，将其水平方向和垂直方向的地震力分别等效为沿X轴 和Z轴的静力F、F.并将它们都作用于重力
支撑系统的中心处，根据ASME标准D类工作条件选取k.=0.2.3=3.可得等效的水平地震力F =0.6G =-0.6E 8(N). 力F，=0.6G=0.6E8（N），等效的垂直地震
3有限元静力求解及结果分析
进行有限元求解的步骤如下：
第一步：对螺栓施加预紧力并计算预紧力单独作用的结果.
第二步：在该载荷步中锁定预紧力引起的节点位移，使其在以后的载荷步中保持不变，以 模拟螺栓预紧后的情况.
第三步：施加工作载荷即静载荷与地震力，进行静力分析，根据最大切应力理论即第三强Tresca应力分布，系统主要零件的Tresca应力 度理论得到1TER重力支撑系统各零件的分布云图如图3~图6所示.
图3TF及其法兰的Tresca应力分布云图Fig 3 Trescs stress distribution of TF legand its flange
图4封性板及其上、下法兰的Tresca应力分布云图 Fig 4 Tresea stress distribution of flexible platesand flenges of flexible plates
图5环形支撑的Tresca应力分布云图Fig 5 Tresca stress distribution of ring support
图6支撑要柱的Tresca应力分布云图Fig. 6Tresca stress distributionof support column
在图3~图6中，最大应力出现位置旁标有字每MX，由图可见.ITER重力支撑系统不同零件的Tresca应力值、同一零件上不同部位的Tresca应力值差异都较大，各个零件的最大 Tresca应力都出现在结构不连续处.TF腿的最大应力出现在TF腿与等效环向壳连接处，其值为196.355MPa；韧性板的最大应力出现在韧性板与其下法兰焊接的拐角处，其值为 133.187MPa；环形支撑的最大应力在其上端面与内部加强筋的交接处，其值为68.665MPa：支撑圆柱的最大应力在其上端面，其值为78. 588 MPa
按照ASME目录KD-210和图KD-230，支撑系统因所加载荷引起的正应力或剪应力是一次应力，其基本特征是不具有自限性.超过属服极限的一次应力将导致零件显著变形 而失效，静载荷和地震载荷同时作用时，ITER装置的TF腿及其法兰以及韧性板及其上、下
4结论
参考文献：
法兰的许用Tresca应力都为540MPa，环形支撑和支撑圆柱的许用Tresca应力均为311 MPa.实际上，上述最大Tresca应力都因结构不连续受到应力集中的影响，面应力集中不属于一次应力范畴.将TF腿、韧性板、环形支许用应力相比较可知，1TER重力支撑系统各 撑、支撑圆柱等零件的最大应力与它们各自的零件均满足强度要求.
探讨了ITER重力支撑系统同时受静载荷、地展载荷作用时的有限元建模方法，建立了ITER重力支撑系统的三维有限元模型，并对该系统进行了有限元静力分析，获得了ITER重力支撑系统各零件的应力分布云图和最大应 力值.有限元静力分析结果不仅为设计工作提供了有价值的分析数据，面且反映了ITER重力支撑系统可能的危险区城.按照ASME压力容器评定标准，静力分析结果表明支撑系统 各零件均满足强度要求.
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