基于Simsolid 對托卡馬克裝置內部件部分模塊進行了傳熱分析，并將傳熱分析結果的溫度梯度加載到結構分析中，進行該組件的結構分析，最終得到了該部件正常運行工況下的溫度分布、結構應力及形變等數據，為該組件的設計可靠性提供了一定的指導作用。且該分析結果與ANSYS的分析結果能夠較好的吻合，但卻能節省80%以上的分析時間。

0 引言

大約從2015年開始，使用ANSYS軟件進行工作上的各種任務分析，包括有流固耦合傳熱，結構強度，電磁力分析等。在行業內部ANSYS軟件中的Fluent、CFX分析軟件及ICEM、Workbench Meshing網格劃分軟件均為最常使用的軟件，幾乎占到工作中的99%任務分析量。而這些工作，常常所必須也是最關鍵的一步便是網格劃分，四面體、六面體、膨脹層等，需要很大的精力去調節網格，可以說整個分析過程絕大數情況就是網格劃分的過程。如果以后的模擬分析不需要網格劃分步驟，那么將會極大的提高我們結構分析、傳熱分析的效率，降低產品迭代周期，對我們分析工程師而言，簡直是太重大利好了。

1 模型  

將自己工作中的某一個case直接操作上手，練習一下，如圖1所示，為托卡馬克裝置真空室內部件的部分展示（該部件已申請國家專利且公開），其下部有直接焊接于真空室內壁的支撐墩，上部為多塊組件通過螺栓固定于支撐墩上。其詳細結構如圖2所示。

圖1 部件整體圖

  由于該分析模型較大，且基本是重復相同的結構設計，故而挑選中平面處小部分結構，結構簡化后如圖2所示。主要由石墨靶板、不銹鋼316L背板、銅合金過渡板、不銹鋼316L支撐墩構成。其中石墨靶板表面在工作時將會承受較高的熱流負載，通過背板、過渡板、支撐墩結構將熱量傳遞給真空室，再由真空室主動冷卻系統帶走熱量。其中，我們面臨的問題是：1）保證整個傳熱結構能及時帶走表面熱流能量，保證各部件結構最高溫度在正常工作范圍內；2）該結構（在中平面處，石墨表面與水平面垂直）是豎直的，在重力、較高溫度、電磁力（本case不分析電磁力）多重影響下，能保持其一定的結構強度。

圖2 分析模型圖

2、材料及前設置

其中，石墨及316L不銹鋼Simsolid庫中自帶，但銅合金（本處用的是CuCrZr材料），該材料經查ITER材料手冊，得到CuCrZr的材料屬性：

泊松比：0.33；

密度：7600kg/m3

屈服強度150MPa

壓縮強度150MPa

熱傳導率118W/m*K

材料參數設置如圖3所示。接下來設置熱流及環境參數：

1）石墨靶板表面熱流0.3MW/m2；

2）與真空室焊接面設置為真空室主動冷卻劑入口溫度35℃；

3）石墨與不銹鋼背板螺栓連接具有一定的熱阻效應，按照實驗數據，此處溫度約為200℃，且螺栓壓力經驗值約為2.5MPa，在該種情況下其界面導熱系數經查資料為10444W/m²*K；

圖3  材料新建及選擇

將模型導入Simsolid，并設置相關的熱流及約束，如圖4所示。

圖4 熱分析設置

經過短時間的分析（大約20秒），就得到分析結果，將分析結果提取溫度，如圖5所示，石墨最高溫度低于500℃，與其最高工作溫度（>1000℃）相差較遠，即整個結構均在正常工作溫度范圍內，該結構能夠較好的指導我們的設計成果。左圖折線圖為石墨與不銹鋼交界面（熱阻設置面）的溫度點選直線上的溫度變化曲線?？梢缘玫狡錅囟却蠹s為220℃左右，與實驗真實結果（該處溫度約為200℃，接觸熱阻影響下換熱系數約為10444W/m2*K）能較好的吻合，但仍然有一定的誤差計算，這可能是由于1）本模型是一個簡化的優化模型，并不能將細節部分進行模型計算；2）與真空室焊接面的溫度會隨著其主動冷卻系統的冷卻情況發生變化，而本case直接設置為35℃的恒溫可能會引起一定的誤差。

圖5 熱分析結果

總體而言，Simsolid 的傳熱分析模擬結果，具有很大程度的參考價值。同時，能給我們工程實際應用節省大量大量大量的時間?。。?！

3 結構分析

 將上一步驟中的熱分析結果，溫度梯度導入，并設置重力為正Z方向，將于真空室焊接表面設定為不可移動表面，得到分析結果如圖6所示?？梢钥吹狡鋺ψ畲蠹皯冏畲筇幘谥味张c真空室焊接處，與真實情況較為吻合。其具體的應力評價需要參考相應的ASME標準，此處就不在深入說明。另其石墨與背板緊靠面上的形變量也較大，此處的真實連接為螺栓連接，但在該模型中，主要考慮的是支撐墩上的形變及應力變化，故而對螺栓連接的方式并未做出，為了簡單方便，僅僅采用了bonded連接方式。

圖6 包含溫度梯度的結構分析結果

經過對該部件的傳熱及結構分析，其分析結果均與真實情況相差不多，且能較好的吻合ANSYS分析的結果。作為工程設計實踐中，初步分析具有很好的參考價值，并且能夠節省很多時間！完全不需要劃分網格的分析軟件，起碼能夠節省 80%的時間。很好??！若是需要將該分析結果作為工程設計的唯一或者主要參考，那么可能需要在載荷及結構上需要細致的設計，及較為準確的載荷加載！以后有時間，繼續深入學習。