基于Simsolid的托卡马克装置内部件传热及结构分析

基于Simsolid 对托卡马克装置内部件部分模块进行了传热分析，并将传热分析结果的温度梯度加载到结构分析中，进行该组件的结构分析，最终得到了该部件正常运行工况下的温度分布、结构应力及形变等数据，为该组件的设计可靠性提供了一定的指导作用。且该分析结果与ANSYS的分析结果能够较好的吻合，但却能节省80%以上的分析时间。

0 引言

大约从2015年开始，使用ANSYS软件进行工作上的各种任务分析，包括有流固耦合传热，结构强度，电磁力分析等。在行业内部ANSYS软件中的Fluent、CFX分析软件及ICEM、Workbench Meshing网格划分软件均为最常使用的软件，几乎占到工作中的99%任务分析量。而这些工作，常常所必须也是最关键的一步便是网格划分，四面体、六面体、膨胀层等，需要很大的精力去调节网格，可以说整个分析过程绝大数情况就是网格划分的过程。如果以后的模拟分析不需要网格划分步骤，那么将会极大的提高我们结构分析、传热分析的效率，降低产品迭代周期，对我们分析工程师而言，简直是太重大利好了。

1 模型  

将自己工作中的某一个case直接操作上手，练习一下，如图1所示，为托卡马克装置真空室内部件的部分展示（该部件已申请国家专利且公开），其下部有直接焊接于真空室内壁的支撑墩，上部为多块组件通过螺栓固定于支撑墩上。其详细结构如图2所示。

图1 部件整体图

由于该分析模型较大，且基本是重复相同的结构设计，故而挑选中平面处小部分结构，结构简化后如图2所示。主要由石墨靶板、不锈钢316L背板、铜合金过渡板、不锈钢316L支撑墩构成。其中石墨靶板表面在工作时将会承受较高的热流负载，通过背板、过渡板、支撑墩结构将热量传递给真空室，再由真空室主动冷却系统带走热量。其中，我们面临的问题是：1）保证整个传热结构能及时带走表面热流能量，保证各部件结构最高温度在正常工作范围内；2）该结构（在中平面处，石墨表面与水平面垂直）是竖直的，在重力、较高温度、电磁力（本case不分析电磁力）多重影响下，能保持其一定的结构强度。

图2 分析模型图

2、材料及前设置

其中，石墨及316L不锈钢Simsolid库中自带，但铜合金（本处用的是CuCrZr材料），该材料经查ITER材料手册，得到CuCrZr的材料属性：

泊松比：0.33；

密度：7600kg/m3

屈服强度150MPa

压缩强度150MPa

热传导率118W/m*K

材料参数设置如图3所示。

接下来设置热流及环境参数：

1）石墨靶板表面热流0.3MW/m2；

2）与真空室焊接面设置为真空室主动冷却剂入口温度35℃；

3）石墨与不锈钢背板螺栓连接具有一定的热阻效应，按照实验数据，此处温度约为200℃，且螺栓压力经验值约为2.5MPa，在该种情况下其界面导热系数经查资料为10444W/m²*K；

图3  材料新建及选择

将模型导入Simsolid，并设置相关的热流及约束，如图4所示。

图4 热分析设置

经过短时间的分析（大约20秒），就得到分析结果，将分析结果提取温度，如图5所示，石墨最高温度低于500℃，与其最高工作温度（>1000℃）相差较远，即整个结构均在正常工作温度范围内，该结构能够较好的指导我们的设计成果。左图折线图为石墨与不锈钢交界面（热阻设置面）的温度点选直线上的温度变化曲线。可以得到其温度大约为220℃左右，与实验真实结果（该处温度约为200℃，接触热阻影响下换热系数约为10444W/m2*K）能较好的吻合，但仍然有一定的误差计算，这可能是由于1）本模型是一个简化的优化模型，并不能将细节部分进行模型计算；2）与真空室焊接面的温度会随着其主动冷却系统的冷却情况发生变化，而本case直接设置为35℃的恒温可能会引起一定的误差。

图5 热分析结果

总体而言，Simsolid 的传热分析模拟结果，具有很大程度的参考价值。同时，能给我们工程实际应用节省大量大量大量的时间！！！！

3 结构分析

将上一步骤中的热分析结果，温度梯度导入，并设置重力为正Z方向，将于真空室焊接表面设定为不可移动表面，得到分析结果如图6所示。可以看到其应力最大及应变最大处均在支撑墩与真空室焊接处，与真实情况较为吻合。其具体的应力评价需要参考相应的ASME标准，此处就不在深入说明。另其石墨与背板紧靠面上的形变量也较大，此处的真实连接为螺栓连接，但在该模型中，主要考虑的是支撑墩上的形变及应力变化，故而对螺栓连接的方式并未做出，为了简单方便，仅仅采用了bonded连接方式。

图6 包含温度梯度的结构分析结果

经过对该部件的传热及结构分析，其分析结果均与真实情况相差不多，且能较好的吻合ANSYS分析的结果。作为工程设计实践中，初步分析具有很好的参考价值，并且能够节省很多时间！完全不需要划分网格的分析软件，起码能够节省 80%的时间。很好！！若是需要将该分析结果作为工程设计的唯一或者主要参考，那么可能需要在载荷及结构上需要细致的设计，及较为准确的载荷加载！

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