低温恒温器绝热支撑模拟分析及测试

低温绝热支撑(POST)是ADS加速器大型低温恒温器中涉及冷质量的关键部件,对冷质量的固定支撑、静态漏热、精密准直、低温冷缩等起到至关重要的作用。介绍了POST过盈量与接触应力的变化关系。采用有限元仿真分析了POST在不同状态下的热、力耦合,计算了降温过程中POST的接触应力变化,研究了玻璃纤维筒体在不同状态下的变形情况,分析了POST拉伸试验结果。为后续优化设计提供了理论基础和研究依据。

真空低温绝热支撑的设计与模拟分析

真空低温绝热支撑(POST)是超导加速器低温恒温器(Cryomodule)的关键部件之一,直接影响到整个Cryomodule的静态漏热、结构的稳定性、加速器准直测量的精确性等多种性能指标。利用经典理论方法和有限元软件对POST进行理论计算和模拟分析,理论计算与模拟分析结果基本一致,同时在工作状态下对其进行热力学模拟计算。分析结果表明,此POST满足低漏热、高强度的设计和使用要求,为进一步的优化设计和实验研究提供了可靠的理论依据和技术支持。

低温贮箱新型绝热支撑结构随机振动模拟分析

航天器在火箭发射过程中会经历严酷的随机振动环境,支撑结构作为航天器的关键承载部件,其强度和刚度能否满足要求显得十分重要。运用有限元分析软件ansys对低温贮箱的绝热支撑结构进行了随机振动的模拟分析,得出了支撑结构在随机激励载荷作用下的响应,响应结果表明,支撑结构的强度和刚度满足使用要求。。

液氢温区下单温区双管道绝热支撑的热-结构耦合研究分析

以液氢温区下的单温区低温双管道为研究对象,对其进行了热流分析,建立了数学模型及几何模型,采用有限元方法进行了热-结构耦合分析求解,分析了不同壁厚下漏热、应力及形变的变化规律,和不同隔热孔径下的漏热、应力及形变的变化规律。研究结果表明:壁厚减小,漏热值减少,绝热支撑总体应力增加,支撑形变增大;相同壁厚下,隔热孔孔径增大,漏热值减小,支撑应力减小,形变增大。最终,针对某工程使用的单温区双低温管道,拟合出了壁厚与各个参数量的曲线、方程及漏热值与最大应力的函数方程式,得出最薄壁厚可取为0.638 mm。针对隔热孔孔径的优化,拟合出了孔径与漏热及最大形变的曲线、函数,确定了支撑的最优孔径为82.9 mm。

基于稳态热-结构耦合的低温管道绝热支撑研究

为了优化真空多层绝热管道的绝热支撑,以带圆孔的三角形绝热支撑为研究对象,建立了低温管道热-结构耦合数学模型,采用有限元方法进行了求解,分析了不同孔径下支撑温度、应力和形变的变化规律。研究表明:孔径增大,绝热支撑的漏热量降低,整体应力水平升高,支撑与管道接触处的应力集中现象减弱;但孔径增大,支撑刚度下降,形变量增加。针对φ89×3. 0的低温管道绝热支撑,以降低漏热量为目标,建立了漏热量与最大形变量的函数关系,确定了支撑的最优孔径为12 mm。

L形高真空多层绝热低温管道热-结构耦合分析

用于输送LNG等低温介质的高真空多层绝热(HV-MLI)低温管道常处于深冷环境且要承受流体内压,在热-结构耦合作用下的受力较为复杂。为了研究HV-MLI低温管道各部件在复杂载荷作用下的响应状况,以某水平—竖直走向的L形HV-MLI低温管道为例,建立了热-结构耦合分析有限元模型,计算得出了不同工况下的管道温度场分布情况,以及管道中内管、外管、热桥、波纹管和绝热支撑上的应力及应力随各载荷的变化关系。分析结果表明:(1)绝热支撑和热桥是影响管道漏热量的主要部件,以输送LN_2为例,通过上述两个部件的漏热量分别占管道总漏热量的49.07%和49.32%;(2)内管、外管、弯头及热桥等部件应力较小且低于材料屈服极限,实际使用过程中不易发生危险;(3)波纹管应力随输送介质温度的降低和补偿内管长度的增加而增大,水平管段波纹管的应力较高,是管道中的危险部件;(4)内管所受内压是影响绝热支撑应力的主要因素,随内管内压的增大,水平管段与竖直管段中离弯头最近的绝热支撑应力大幅增加,而远离弯头的其他位置处的绝热支撑应力变化不大,因而可适当增加离弯头最近的绝热支撑厚度,同时减少远离弯头处支撑的厚度,以便在保证强度的同时减少漏热量。

液氢低温输送管道环空绝热技术研究进展

【目的】液氢因其体积密度大、氢纯度高等优势而备受关注,但其极低的沸点导致在输送过程中易蒸发而造成氢损失,低温绝热技术是实现液氢管道输送的关键手段。【方法】从热传递的3种方式(固体导热、气体导热、辐射换热)对管道环空间的漏热进行分析,固体导热主要来源于环空间绝热支撑结构,总结了不同类型支撑结构的导热性能;同时,维持环空间夹层真空度可以有效减少因气体导热引起的漏热。真空多层绝热材料对低温绝热技术的影响是研究热点,在此从真空多层绝热材料预测模型、绝热材料布置方式、定密度多层绝热、变密度多层绝热等方面分别进行了讨论。【结果】在保证应力强度的前提下改善支撑形状,最大限度缩短传热路径、减少支撑与内外管的接触点个数及接触面积能够有效减少支撑的漏热量。同时,加快研制低成本与高效率的吸气剂是维持真空度最直接的有效方法。真空多层绝热技术在低温设备中应用广泛,可有效减少固体导热、气体导热及辐射换热。定密度多层绝热和变密度多层绝热都存在使漏热最低的最佳层密度排布方式,且变密度多层绝热具有更好的绝热性能及重量优势。【结论】合理优化环空间几何结构与热传递方式、研制高效吸氢剂,对优化液氢低温输送管道环空绝热技术、有效降低液氢输送过程中的氢损失具有重要意义。(图5,表2,参85)

波谱仪可拆卸零蒸发结构设计

目的:开发一种可在不用停止工作状态下更换GM制冷机的零蒸发波谱仪结构。方法:对可拆卸结构进行总体设计,在满足绝热支撑强度和减小热负荷等功能要求的基础上优化制冷机可拆卸机构结构方案,保证系统能够长时间稳定运行。使用有限元分析的方法对真空壳体和支撑结构强度和稳定性进行分析,并对系统的热负荷进行计算和制冷机选型。结果:在极端运行工况下,波谱仪真空壳体最大应力为27 MPa,绝热支撑的最大等效应力为6 MPa,均远小于材料允许的许用应力。可拆卸零蒸发结构80 K制冷的热负荷为3.79 W,4 K制冷的热负荷为0.31 W。结论:波谱仪的强度和稳定性达标,同时整体传热方案满足系统冷量需求,因此可拆卸零蒸发结构能够满足设计和使用需求。

基于有限元方法的L型低温管道传热及强度分析

为了研究HV-MLI低温管道各部件在复杂载荷作用下的强度,以某一型号水平-竖直走向的L型HV-MLI低温管道为例,建立了热-结构耦合分析有限元模型。计算得出各工况下的管道温度场分布,以及管道中内管、外管、热桥和绝热支撑上的应力分布情况。分析结果表明:管道的绝热设计满足使用要求,绝热支撑和热桥是外界热量漏入管道的主要途径;L型HV-MLI低温管道中内管与弯头的等效应力随内管内压的增加而增大。在实际使用过程中内管、外管、弯头、热桥等结构不易发生危险;层间剪应力过大是绝热支撑的主要破坏因素。

低温传输管线漏热测试平台设计及实验研究

以同轴型液氦低温传输管线为研究对象,将同轴型液氦低温传输管线简化为液氮传输管线进行模拟研究,得到了管线漏热量及温度分布.设计了低温传输管线漏热测试平台,该平台可实现不同绝热支撑及不同多层绝热材料的对比优化实验,有效评估待测低温传输管线的漏热量,具有样件可替换、测试简便、精确度高等优点,测试精度小于4.2%.基于该测试平台,开展了低温传输管线的性能实验研究,得到单个绝热支撑和多层绝热材料的漏热量分别为0.44 W/m和1.02 W/m,低温传输管线的总漏热量为1.46 W/m;多层绝热材料的表观导热系数为2.79×10-4 W/（m·K）.实验验证了低温传输管线漏热测试平台的有效性和准确性.

多通道液氦低温传输管线的设计及漏热量模拟

基于多通道液氦低温传输管线的结构设计与理论建模,分析了不同温区下真空多层绝热材料层数、层密度对热流密度和表观导热系数的影响.模拟了同轴液氦低温传输管线直管段和弯管段的温度场和漏热量分布.对比了不带辐射屏和带辐射屏的液氦低温传输管线漏热量.结果表明:在4.5~293.0 K,选取层数50层、层密度为25层/cm多层绝热材料,表观导热系数为0.119 mW/(m·K);在4.5~77.0 K,选取层数50层、层密度为30层/cm多层绝热材料,表观导热系数为0.028 mW/(m·K);当不带辐射屏时,单个双棱支撑漏热量为0.207 W,直管段和弯管段多层绝热材料漏热量分别为0.471和0.460 W/m.对比不带辐射屏和带辐射屏的液氦低温传输管线,漏热量分别为0.581和0.029 W/m,带液氮辐射屏的液氦低温传输管线漏热量减少了95%.