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1、西安航空职业学院西安航空职业学院 毕业论文毕业论文 ITER 校正场线圈氦冷却管焊接数值模拟校正场线圈氦冷却管焊接数值模拟 姓姓 名：名： 专专 业：业： 航空电子 班班 级：级： 完成日期：完成日期： 指导教师指导教师: 摘要摘要 国际热聚变试验堆（ITER）校正场线圈（CC）氦冷却管和铠装电缆导体（CICC）铠甲焊接时，需 控制超导缆的温度不高于 250，以免影响其超导性能。本文利用焊接有限元分析软件 SYSWELD 模拟了三种 方案下氦冷却管和 CICC 铠甲焊接的温度场变化，在理论上找到了合理的焊接工艺参数，在此基础上进行了 相应的焊接试验。试验结果和模拟结果的趋势较为吻合，证明了有限
2、元分析的正确性，为 ITER 多种类似结 构的预焊接工艺制定提供了依据；同时，通过不同方案的对比得到了最优焊接方案。 关键词关键词 焊接 数值模拟 ITER 氦冷却管 SYSWELD 国际热核聚变试验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）校正 场线圈（Correction Coils，CC）用于补偿 ITER 内部由于制造误差、安装误差、变形误差及其 他误差引起的磁场分布误差，由 6 个 Top 线圈、6 个 Side 线圈和 6 个 Bottom 线圈组成1， Side 线圈的局部结构如图 1 所示。线圈内部采用铠装电
3、缆导体（Cable-in-Conduit Conductor，CICC）结构，其中的 NbTi 超导体运行于 10kA 电流、4.2K 温度下2。氦冷却管是 超导体和提供低温环境的液氦管路的连接部分。 图 1 Side 线圈局部结构 图 2 氦冷却管和 CICC 结构 Fig. 1 Local structure of Side CC Fig. 2 Structure of He-inlet and CICC CICC 由铠甲、花包层和 NbTi 超导体组成。氦冷却管和 CICC 的结构如图 2 所示，采用钨 极氩弧焊将液氦冷却管和铠甲连接起来，此焊缝极为重要，而且焊接难度大，主要体现在： 首
4、先，采用全位置焊，空间狭小，并要求全焊透；其次，在焊接过程中需控制超导缆处的温 度不能高于 250，以保护超导缆的超导性能；再次，需严格控制焊接质量以保证焊缝强度， 使超导线圈工作时该焊缝在电磁力作用下不被破坏。所以，对焊缝开展焊接工艺参数的研究 是非常有必要的。 有限元法作为一种近似解法是解决工程实际问题的重要途径，其用离散单元组成的集合 体代替原结构，用近似函数表示单元内的真实场变量，从而给出离散模型的数值解，能很好 地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件3。 本文采用焊接有限元分析软件 SYSWELD 对氦冷却管和 CICC 铠甲的焊接进行了数值模拟； 根据材料属性和实际焊接工艺试验得
5、到焊缝截面进行了热源校核，根据设计的冷却工装加载 边界条件，利用瞬态法进行温度场计算；通过有限元获得的焊接工艺参数，进行了相同参数 的焊接试验，验证了有限元模拟结果和焊接工艺参数的可靠性。 1、几何模型的建立、几何模型的建立 氦冷却管由圆管段、跑道形段及两段之间扫略而成的过渡段组成，如图 3。实际焊接时 首先将跑道形段焊接在 CICC 上，然后依次焊接过渡段和圆管段。因仅跑道形段和 CICC 铠甲 焊接的温度场可能影响内部 NiTi 超导体性能，故专门设计了水冷循环装置，并对此两部分的 焊接温度进行了测量。因而氦冷却管的几何模型仅采用跑道形段，高度为 11.2mm，并将其 阶梯型坡口简化为单边
6、 V 型坡口。 CICC 铠甲尺寸为 19.219.2，内侧是 0.5mm 厚的花包层。由于焊接试验时需在花包层内 表面布置热电偶，故采用无导体的空心 CICC 电缆，其几何模型也仅为铠甲和花包层，壁厚为 二者之和，长度为 120mm。 由此建立的总体几何模型如图 4 所示。 图 3 氦冷却管组成和 CICC 导体截面 图 4 CICC 和氦冷却管几何模型 Fig. 3 He-inlet components and CICC section Fig. 4 Geometrical model of He-inlet and CICC 2、有限元分析、有限元分析 2.1 有限元分析误差及减小措施
7、有限元分析误差及减小措施 有限元计算误差来源有建模误差、离散误差和数值误差。建模误差可通过改进数学模型 来减少，离散化误差可通过运用更多的单元来减小；计算机表示的数据和处理过程引入的数 值误差很小，但某些物理因素和不良的离散化会使误差变大4。本文基于此原理进行相应的 误差控制。 2.2 焊接传热问题焊接传热问题 有限元法基于加权余量法分析热传导的过程是：根据热传导问题的微分方程和边界条件， 建立其等效积分形式；利用等效积分的一般形式加权余量法的原理建立近似解法并求解。 有限元法区别于传统的加权余量法和求解泛函驻值的变分法，该法不是在整个求解域上假设 近似函数，而是在单元上分片假设近似函数。 瞬
8、态温度场的场变量（）在直角坐标中应满足的微分方程为5：, , ,x y z t （在内） 0 xyz ckkkQ txxyyzz 边界条件为： （在边界上）= 1 （在边界上） xxyyzz knknknq xyz 2 （在边界上）() xxyyzza knknknh xyz 3 式中，为材料密度；为比热容；为材料沿三个主方向的导热系数；为内热源c, xyz k kkQ 密度；为边界外法线的方向余弦；是在边界上的给定温度；, xyz n n n= ( , ) t 1 是边界上的给定热流密度；为边界上的外界环境温度（自然对( , )qqt 2 ( , ) aa t 3 流）或边界层绝热壁温度（强
9、制对流） 。 然后建立上述微分方程和边界条件的等效积分形式，利用伽辽金法选择任意函数，建立 瞬态温度场的有限元求解方程： CKP 式中，C C 为热容矩阵，K K 为热传导矩阵，P P 为温度载荷向量，为节点温度列阵，为 节点温度对时间的导数列阵。 已将时间域和空间域的偏微分问题离散为 N 个节点温度的常微分方程的初值问题，求 i 解即得温度场分布。 2.3 热源数学模型热源数学模型 采用数值模拟方法的关键是建立焊接热源模型，即确定合理的焊接热流分布函数。三维 空间温度分布随瞬间热源形态不同而有所差异6。早期发展的点热源和线热源等热源分析模 型不能用于有限元分析3，常用于焊接热场有限元分析的分
10、布式热源模型有双椭球热源、高 斯锥体热源、高斯平面热源及组合热源。 J. Goldak 提出的双椭球功率密度分布热源模型主要适用于有填充材料的 MIG、TIG 焊等， 该模型设定体热源的前半部分为 1/4 椭球，后半部分为另 1/4 椭球，即沿焊接方向前后半椭 球形状不相同。热源中心前面的区域温度梯度大，而后半部分温度梯度分布较缓，如图 5 所 示。 本文选择双椭球热源，并利用熔池边界准则对热源进行校核。 图 5 双椭球热源模型 Fig. 5 Double ellipsoid heat source model 前 1/4 椭球和后 1/4 椭球的功率密度函数7分别为： （1） 222 f f
11、222 fhh fhh 6 3333 ( , , )exp(-0 fxyz q x y zx a b c abc （） ), （2） 222 r r222 rhh rhh 6 3333 ( , , )exp(- fxyz q x y zx a b c abc （） ), 0 其中，分别为双半椭球体的半轴；为前后半球体内热输入份额， frhh aab、c fr ff、 。 fr + =2ff 2.4 网格模型网格模型 由于稀疏网格的计算结果偏差较大，通常选取焊缝长度上包含至少 4 个网格，但过密的 单元在提高精度的同时将大量增加计算时间，且网格细分到一定程度后，计算精度的提高将 微乎其微；此外，
12、单元最大边长和最小边长之比也影响计算精度8。 基于上述原则，利用 Visual-Mesh 划分了包含三道焊缝的全实体单元网格模型，并对边 长比过大的局部网格进行了重新划分，如图 6 所示。 图 6 氦冷却管和 CICC 的有限元网格模型 Fig. 6 FEA Mesh model of He-inlet and CICC 采用三种方案对从内到外的各层焊道进行了分段并定义网格组，具体分段方案如表 1。 由于打底层焊缝对花包层内侧温度影响最大，故其分段数最多。 表 1 分段方案 方案方案温度温度 打底层打底层填充层填充层盖面层盖面层 方案一13 1211 方案二171513 方案三242220 2
13、.5 数值模拟数值模拟 采用瞬态法对以上三种方案进行了数值模拟。根据对氦冷却管跑道形段内壁设计的通水 铜质冷却工装的进出口温度测量，发现由于流速较高，进出水口温度相差不大，因此对这段 内壁的二维单元施加了恒温，其他表面和空气进行热交换。 数值模拟温度场云图和热传感器预置点的温度变化曲线如下图所示，结果显示了三种方 案的最高温度。 （a） （b） （c） 图 7 方案一（a） 、方案二（b） 、方案三（c）的温度场数值模拟结果 Fig. 7 Numerical results of the three schemes 3、试验验证、试验验证 对三种方案的数值模拟进行了试验验证，其中试验装夹条件、
14、对流换热边界条件及施焊 分段均与数值模拟时的加载一致。采用钨极氩弧焊进行焊接，在花包层背面布置热电偶并记 录温度变化，实际试验装置及焊接样件如图 8 所示。 图 8 氦冷却管焊接试验及样件 Fig. 8 Welding test and sample piece of He-inlet and CICC 根据产品对最高温度的要求，试验最高温度及其与模拟结果的对比见表 2。 表 2 模拟结果和试验结果 Tab. 2 Results of FEA and test 方案方案温度温度模拟值（模拟值（）实际值（实际值（） 方案一294.778285.6 方案二279.751262.2 方案三245.6
15、5247.1 由表 2 可以看到，焊接试验结果和数值模拟计算的趋势是一致的，但由于手工焊存在多 方面不稳定因素如分段长度不均和停留时间灵活等原因，试验结果相对于模拟值的差值有一 定波动。 另外，实测值相对于模拟值偏低或相当，可能原因是有限元模拟时跑道形段内壁加载的 温度不合适或实际焊接时水温有所变化。 4、结论、结论 采用有限元软件 SYSWELD 模拟了三种方案的氦冷却管和 CICC 铠甲焊接温度场变化，并 进行了试验验证。通过模拟和试验得出了以下结论： （1）三种方案的数值模拟结果显示，随着每层分段数的增加，铠甲内侧最高温度呈降低趋 势； （2）试验结果和数值模拟结果的趋势一致，表明了有限元模型及求解计算的正确性，为 ITER 多种类似结构的预焊接工艺制定提供了依据。 （3）根据试验结果，方案三满足超导缆对铠甲内侧最高温度的要求。 参考文献参考文献 1曾文斌，吴维越. ITER 校正场线圈的结构分析J，核聚变与等离子体物理，2009，29（3）: 264269 2 A. Foussat, N. Dolgetta, C. Jong, et al. From design to development phase of the ITER Correc
