BESⅢ備用閥箱公路運(yùn)輸條件下的穩(wěn)定性分析

王校威 ，朱自安，趙 玲，劉旭洋，謝宗泰，孫麗婷，張國慶

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；3.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

北京譜儀Ⅲ（BESⅢ）是工作在北京正負(fù)電子對撞機(jī)（BEPCⅡ）上的大型通用探測器，主要用于開展Τ-粲能區(qū)的物理研究[1]。閥箱是BESⅢ探測器超導(dǎo)磁鐵與外圍的低溫系統(tǒng)、電源、真空機(jī)組之間的功能接口，位于低溫恒溫器頂部，是保證低溫真空試驗(yàn)環(huán)境的關(guān)鍵[2]，圖1 為磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖。閥箱運(yùn)行時間越長，設(shè)備出現(xiàn)故障的可能性就越大，為了保證BESⅢ正常工作，制備備用閥箱變得必不可少。當(dāng)備用閥箱從工廠運(yùn)送到工作地點(diǎn)時，為保證閥箱結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸過程中的安全穩(wěn)定性，本文針對公路運(yùn)輸條件，對閥箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)輸狀態(tài)下的穩(wěn)定性數(shù)值模擬和計(jì)算分析，并提出合理要求和建議，其中閥箱運(yùn)行圖如圖2 所示。

圖1 磁鐵結(jié)構(gòu)示意

1 備用閥箱整體結(jié)構(gòu)

閥箱為真空罐體，主要由不銹鋼外殼、電流引線、60 L液氦罐、液氦及液氮出入管線及低溫閥等組成。閥箱筒部高度為1831 mm，底部直徑為1300 mm，內(nèi)部冷屏筒體的高度為1450 mm，上下端部銅板的直徑為1000 mm，內(nèi)部液氦罐的高度為400 mm，外直徑為728 mm，內(nèi)直徑為400 mm，其中冷屏上下端板材料為銅，其余結(jié)構(gòu)的材料為304 不銹鋼。閥箱結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 閥箱運(yùn)行

2 ANSYS 有限元模擬分析

首先建立物理模型，對一些不重要的管路接口、結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，在不影響分析結(jié)果的前提下提高計(jì)算效率，閥箱結(jié)構(gòu)簡化模型如圖4 所示。

2.1 備用閥箱的模態(tài)分析

圖3 閥箱結(jié)構(gòu)

圖4 閥箱結(jié)構(gòu)簡化模型示意

進(jìn)行閥箱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[3]時，是以閥箱的底板面為固定面，求得其固有頻率和振型。結(jié)果表明：第一階固有頻率為6.226 4 Hz，第二階固有頻率為13.602 Hz，第三階固有頻率為15.115 Hz，第四階固有頻率為44.395 Hz，公路運(yùn)輸主要振動頻率一般小于10 Hz，模態(tài)分析中只有一階固有頻率小于該數(shù)值，因此需要在運(yùn)輸過程中盡量避免該共振頻率。

2.2 備用閥箱靜力學(xué)分析

閥箱結(jié)構(gòu)受水平橫向X、水平縱向Y、垂向Z 三個方向的加速度分析，分別為1 g、2 g、3 g，同時還要考慮自身重力，通過靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析[4]，得到閥箱結(jié)構(gòu)受靜態(tài)載荷力作用下的變形。

結(jié)果表明：根據(jù)應(yīng)變云圖顯示的數(shù)據(jù)大于零，閥箱中懸掛所受應(yīng)力為拉應(yīng)力，懸掛選取304 不銹鋼，其材料的許用應(yīng)力為250 MPa，應(yīng)力分析云圖的結(jié)果中最大值為230.32 MPa，因此懸掛結(jié)構(gòu)沒有超過材料的許用應(yīng)力，是安全可靠的。

表1 高速公路卡車振動環(huán)境

2.3 備用閥箱隨機(jī)振動分析

最后進(jìn)入隨機(jī)振動分析[5]，得到閥箱結(jié)構(gòu)在給定加速度頻譜下的振動響應(yīng)，表1 為高速公路振動環(huán)境。

對閥箱結(jié)構(gòu)施加表1所示的X、Y、Z 三個方向的加速度激勵（圖5），得到其加速度譜響應(yīng)分析結(jié)果云圖（圖6）。結(jié)果表明：從響應(yīng)譜分析結(jié)果得出X、Y 方向的響應(yīng)位移稍大些，后期運(yùn)輸過程中可以考慮加入減振措施[6]，減小振動幅度，延長提速、減速時間，避免可能沖擊。

圖5 加速度激勵

圖6 加速度譜響應(yīng)模擬結(jié)果

3 結(jié)論

基于ANSYS 有限元分析結(jié)果，對BESⅢ探測器超導(dǎo)磁鐵備用閥箱在高速公路工況下的運(yùn)輸給出了要求。為避免發(fā)生共振，運(yùn)輸過程中應(yīng)避開第一階共振頻率，同時考慮加入減振措施，以減小振動幅度，并延長提速、減速時間，避免可能的沖擊，從而保證備用閥箱在運(yùn)輸過程中的安全可靠。