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采用ANSYS参数化设计编程进行铌三锡六极线圈镜像磁场结构的电磁-结构耦合优化设计。在ANSYS经典界面中利用自底向上的建模方法对四分之一镜像磁场结构进行建模,模型包括内径100 mm和厚度38 mm的六极线圈组件(铌三锡线圈和DT4芯轴)、厚度2 mm的G10垫板、厚度4 mm的不锈钢垫板、铁轭组件(衬垫、上铁芯和下铁芯)、316LN不锈钢加载键、外径340 mm和厚度20 mm的AL7075铝壳,如图3所示。利用二维机械模型完成镜像磁场结构的优化设计、预装配设计及预应力加载。
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对镜像磁场结构模型指定材料属性,除DT4材料需输入B-H曲线外,其他材料相对磁导率均设置为1。采用四边形8节点或6节点三角形平面单元Plane233对模型进行网格划分,共形成6806个节点和1976个单元。对所有对称轴± 90°节点施加沿电磁方向矢量为0的边界条件。选择所有六极线圈单元,利用Bfe命令施加电流密度载荷343 A/mm2(对应800 A)。求解完成后保存计算结果,并建立结构分析工作名进行结构分析。
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将磁场分析单元Plane233转化为高阶8节点二维结构单元Plane183。表1列出了镜像磁场结构的材料属性(其中六极线圈物性参数取自美国劳伦斯伯克利国家实验室)。为保证能够将磁场分析求得的电磁力准确加载到线圈单元上,结构分析时对机械模型不重新划分网格。
材料 弹性模量/Gpa 热膨胀系数/
(10–6 K–1)泊松比 293 K 4.3 K Sextupole coil 41 41 11.6 0.3 AL7075 70 79 14.5 0.34 DT4 213 224 6.82 0.28 SS 316 LN 193 210 9.83 0.28 G10 30 30 24.4 0.3 在镜像磁场结构中,ANSYS使用接触对(线圈/芯轴、线圈和芯轴/G10 垫板、线圈/不锈钢垫板、G10 垫板/衬垫、不锈钢垫板/下铁芯、加载键/衬垫、加载键/上铁芯、上下铁芯/铝壳)完成接触计算。利用接触对实现不同物体之间的载荷传递,其中接触单元采用3节点高阶抛物线单元Conta172,目标单元采用Trage169。通过加载键和上铁芯间的接触过盈量Interference完成Bladder-Key对线圈的径向预紧分析,即过盈量Interference代表了实际室温装配过程中插入的不锈钢薄片。
在镜像磁场结构的对称轴上,通过Dsymm命令施加对称边界条件。基于多载荷步对有限元模型在室温预紧、冷却降温和加电励磁下进行非线性计算,对应的载荷步依次为:(1) Bladder打压:在衬垫和上铁芯上施加均布压应力载荷;(2) 室温预应力:在接触分析中,指定加载键和上铁芯间的接触过盈量Interference;(3) 降温预应力:保持室温装配分析中施加的载荷不变,在此基础上,设置参考温度为293 K,通过Bfunif命令给整个模型施加温度载荷4.3 K;(4) 加电励磁:保持降温分析中施加的载荷不变,利用Idread命令导入磁场分析求解得到的洛伦兹力结果文件,完成线圈励磁。
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对镜像磁场结构进行电磁-结构耦合优化设计过程中,依据机械设计标准,通过不断调整机械模型尺寸(主要包括铝壳内径和厚度、Bladder-Key尺寸和位置)、室温预应力Interference参数、Bladder打压值和模型材料,得到了镜像磁场约束结构。
镜像磁场结构的电磁分析结果如图4所示。在800 A设计电流下,铌三锡六极线圈上最高场强位于线圈内侧,数值8.55 T,达到了负载线的80%。
镜像磁场结构预应力由室温下的接触过盈量和液氦温区下的热应力提供。机械结构设计的基本要求为:保证降温后施加到线圈上的预应力大于设计场强对应的电磁力,以限制线圈励磁过程中的位置移动[15],其中线圈的最大等效应力小于150 MPa。结构优化设计的结果:
(1) 在室温Bladder-Key过程中,Gap(打开间隙)随着Bladder压力值的增大而增大,即Bladder压力和Gap间存在良好的线性关系。在此基础上,给出了镜像磁场约束结构实际装配中Bladder最大打压值20 MPa;室温预紧加载键的过盈量为200 μm。
(2) 图5(a)和(b)分别为镜像磁场结构经历室温预紧、冷却预紧和加电励磁后六极线圈的等效应力和接触压力云图。从中可以看出,线圈最大等效应力为122 MPa,位于线圈内径靠外侧处;线圈和芯轴之间始终保持接触状态,接触压力最小为24.9 MPa。说明在加电励磁过程中,线圈和芯轴之间没有分离,即镜像磁场约束结构给线圈上提供了足够的预应力。
Optimum Design of the Magnetic Mirror Structure for Testing Nb3Sn Sextupole Coil
doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020034
- Received Date: 2020-06-05
- Rev Recd Date: 2020-06-30
- Available Online: 2021-11-22
- Publish Date: 2020-12-20
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Key words:
- magnetic mirror structure /
- Nb3Sn /
- sextupole coil /
- stress /
- toleran
Abstract: The Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences is developing the new Nb3Sn superconducting magnet system for the fourth-generation 45 GHz ECR source(FECR). The FECR magnet coils includes six Nb3Sn superconducting sextuple coils and four Nb3Sn solenoid coils. Because of the technical difficulty of winding shaped sextupole coils (non-standard saddle type) from a single superconducting wire and the stress sensitivity of Nb3Sn superconductivity, a magnetic mirror structure based on an aluminum shell-based structure and Bladder & Key technology was devised to test whether the performance of a single Nb3Sn sextupole coil can meet the design specifications. This paper describes the detailed optimum design process of the magnetic mirror structure using the ANSYS Parameter Design language (APDL), presents the optimized mirror structure, the determination of the room-temperature prestress and gives the maximum equivalent stress during room temperature assembly, cool-down, and magnet excitation. Furthermore, the effects of the pre-stress applied to the sextupole coil in the mirror structure was also analyzed and assessed in the context of the sextupole coil fabrication tolerance (±0.1 mm).
Citation: | Li ZHU, Wei WU, Shurong YU, Yuquan CHEN, Enming MEI, Peng MA, Qinggao YAO, Liangting SUN. Optimum Design of the Magnetic Mirror Structure for Testing Nb3Sn Sextupole Coil[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(4): 854-858. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2020034 |