BESⅢ备用阀箱公路运输条件下的稳定性分析

王校威 ，朱自安，赵 玲，刘旭洋，谢宗泰，孙丽婷，张国庆

（1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院高能物理研究所，北京 100049；3.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083）

0 引言

北京谱仪Ⅲ（BESⅢ）是工作在北京正负电子对撞机（BEPCⅡ）上的大型通用探测器，主要用于开展Τ-粲能区的物理研究[1]。阀箱是BESⅢ探测器超导磁铁与外围的低温系统、电源、真空机组之间的功能接口，位于低温恒温器顶部，是保证低温真空试验环境的关键[2]，图1 为磁铁结构示意图。阀箱运行时间越长，设备出现故障的可能性就越大，为了保证BESⅢ正常工作，制备备用阀箱变得必不可少。当备用阀箱从工厂运送到工作地点时，为保证阀箱结构在运输过程中的安全稳定性，本文针对公路运输条件，对阀箱内部结构进行了运输状态下的稳定性数值模拟和计算分析，并提出合理要求和建议，其中阀箱运行图如图2 所示。

图1 磁铁结构示意

1 备用阀箱整体结构

阀箱为真空罐体，主要由不锈钢外壳、电流引线、60 L液氦罐、液氦及液氮出入管线及低温阀等组成。阀箱筒部高度为1831 mm，底部直径为1300 mm，内部冷屏筒体的高度为1450 mm，上下端部铜板的直径为1000 mm，内部液氦罐的高度为400 mm，外直径为728 mm，内直径为400 mm，其中冷屏上下端板材料为铜，其余结构的材料为304 不锈钢。阀箱结构如图3 所示。

图2 阀箱运行

2 ANSYS 有限元模拟分析

首先建立物理模型，对一些不重要的管路接口、结构进行简化，在不影响分析结果的前提下提高计算效率，阀箱结构简化模型如图4 所示。

2.1 备用阀箱的模态分析

图3 阀箱结构

图4 阀箱结构简化模型示意

进行阀箱结构模态分析[3]时，是以阀箱的底板面为固定面，求得其固有频率和振型。结果表明：第一阶固有频率为6.226 4 Hz，第二阶固有频率为13.602 Hz，第三阶固有频率为15.115 Hz，第四阶固有频率为44.395 Hz，公路运输主要振动频率一般小于10 Hz，模态分析中只有一阶固有频率小于该数值，因此需要在运输过程中尽量避免该共振频率。

2.2 备用阀箱静力学分析

阀箱结构受水平横向X、水平纵向Y、垂向Z 三个方向的加速度分析，分别为1 g、2 g、3 g，同时还要考虑自身重力，通过静力学结构分析[4]，得到阀箱结构受静态载荷力作用下的变形。

结果表明：根据应变云图显示的数据大于零，阀箱中悬挂所受应力为拉应力，悬挂选取304 不锈钢，其材料的许用应力为250 MPa，应力分析云图的结果中最大值为230.32 MPa，因此悬挂结构没有超过材料的许用应力，是安全可靠的。

表1 高速公路卡车振动环境

2.3 备用阀箱随机振动分析

最后进入随机振动分析[5]，得到阀箱结构在给定加速度频谱下的振动响应，表1 为高速公路振动环境。

对阀箱结构施加表1所示的X、Y、Z 三个方向的加速度激励（图5），得到其加速度谱响应分析结果云图（图6）。结果表明：从响应谱分析结果得出X、Y 方向的响应位移稍大些，后期运输过程中可以考虑加入减振措施[6]，减小振动幅度，延长提速、减速时间，避免可能冲击。

图5 加速度激励

图6 加速度谱响应模拟结果

3 结论

基于ANSYS 有限元分析结果，对BESⅢ探测器超导磁铁备用阀箱在高速公路工况下的运输给出了要求。为避免发生共振，运输过程中应避开第一阶共振频率，同时考虑加入减振措施，以减小振动幅度，并延长提速、减速时间，避免可能的冲击，从而保证备用阀箱在运输过程中的安全可靠。