強磁場(chǎng)是科學(xué)研究的重要極端條件，處在強磁場(chǎng)中的物質(zhì)結構及其轉變過(guò)程都可能發(fā)生變化，這為物理、化學(xué)、材料和生物等學(xué)科提供了新的研究途徑。中國科學(xué)院強磁場(chǎng)科學(xué)中心正在建造不同磁場(chǎng)強度的穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置，以滿(mǎn)足科學(xué)研究對磁場(chǎng)的要求。
      穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置主要包括水冷磁體裝置、超導磁體裝置以及由水冷磁體與超導磁體組合的混合磁體裝置。每個(gè)磁體裝置都由主機(磁體)、冷卻系統、電源系統、測控系統組成。水冷磁體的主機由磁體、磁體容器、支撐部件及水和電連接件構成。磁體容器是磁體的載體，也是裝置相關(guān)系統的連接點(diǎn)，是保證水冷磁體裝置正常工作的重要環(huán)節，需要對其結構進(jìn)行CAE分析。
      美國強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置是當今世界磁場(chǎng)強度最高的實(shí)驗裝置，因此，中國科學(xué)院強磁場(chǎng)中心建造的磁場(chǎng)裝置是以美國實(shí)驗裝置為基礎而建造的。文獻中的圖片是美國水冷磁體容器結構簡(jiǎn)圖，其封蓋采用錐形封頭。在國內直接加工這樣的封頭需要鍛造，加工制造費用昂貴。本文參照美國水冷磁體容器設計的思想，根據裝置的具體要求設計了水冷磁體容器的結構。設計中采用疊層式的上下蓋結構，其目的是為了方便制造、節省經(jīng)費。
      容器的工作介質(zhì)為去離子冷卻水，冷卻水進(jìn)口水溫度為5℃，出口水溫度約為45℃；磁體工作時(shí)容器的上半部分承受的水壓力最大為30 kg/cm²，下半部分承受的水壓大約為5 kg/cm²容器材料選為低磁性的304不銹鋼。
      容器由筒體與封蓋組成。筒體設計成雙層，在雙層筒體的上、下端和中部各設一圓環(huán)。上下端環(huán)作為與端蓋連接的法蘭，中環(huán)用來(lái)分割進(jìn)出水流。內層筒體的上、下部沿圓周方向開(kāi)過(guò)水孔，冷卻水從四周進(jìn)出，這樣可以減輕冷卻水對磁體的沖擊，從而減輕磁體裝置的振動(dòng)。封蓋由3層鋼板疊放焊接成錐形，錐頂向內，這樣可以減小容器的體積，也有利于實(shí)驗樣品和測量元件的放置，容器的整體結構如圖所示。
      傳統的錐形封蓋由鑄件鍛造成胚，再經(jīng)機械加工而成，加工制造費用昂貴。采用環(huán)形板疊成封蓋可省去鍛造工序，封蓋結構如圖所示。在本設計中結合筒體端環(huán)對材料進(jìn)行套裁，每塊鋼板的厚度為94 mm，實(shí)際用到的鋼板材料僅有2塊，第1塊鋼板中心切割下來(lái)的部分用于第3塊環(huán)鋼板，第2塊鋼板中心切割下來(lái)的用于制造小封蓋。由于這種形式的封蓋加工簡(jiǎn)單，而且節約材料，很大程度上降低了成本。如果采用鍛造封蓋，成本會(huì )增加到5-7倍。
      水冷磁體容器筒體采用雙層筒體，即內筒體與外筒體，同時(shí)各筒體由上下兩部分組成即上半筒體與下半筒體，其結構如圖。
      筒體的特點(diǎn)是：(1)在筒體的內層沿圓周方向開(kāi)孔，高壓去離子冷卻水從上半筒體的內層經(jīng)過(guò)周向孔流入容器內部，冷卻磁體后從下半筒體內層上的孔流出。如果高壓去離子冷卻水直接流入容器，會(huì )對容器內的磁體產(chǎn)生較大的沖擊力，引起磁體裝置的振動(dòng)。而沿周向開(kāi)的孔使得水流入容器，均勻匯合，減輕了對容器內部磁體的沖擊與振動(dòng)。在筒體上對稱(chēng)的開(kāi)進(jìn)、出水管孔，目的也是防止裝置的振動(dòng)；(2)上半筒體與下半筒體的外層各開(kāi)了4個(gè)大孔，分別為冷卻水與電源線(xiàn)的進(jìn)、出口，開(kāi)孔削弱了筒體的強度，必須進(jìn)行補強設計，在筒體的開(kāi)孔處各焊接一層補強圈。
      容器材料采用低磁性304不銹鋼，常溫下的屈服強度205 MPa，安全系數取1，許用應力。其中：材料的彈性模量E = 190 GPa；泊松比0.29。由于磁體裝置工作時(shí)溫差變化不大，內部流體流速不高，故不考慮流固藕合與熱力藕合作用，有關(guān)計算見(jiàn)文獻。磁體工作時(shí)，筒體與封蓋受到30 kg/cm²的工作壓力，取工作壓力的1.1倍作為設計壓力，即設計壓力p=30x1.1 kg/mm²。根據相關(guān)的計算選取螺釘，大封蓋采用48個(gè)M36的不銹鋼螺釘與筒體連接，小封蓋采用8個(gè)M20的不銹鋼螺釘與大封蓋連接，大封蓋每塊鋼板的厚度為94 mm。

                                                                                專(zhuān)業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│CAE分析│結構優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司wku3nrfg.cn，轉載請注明出處和相關(guān)鏈接！