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強磁場是科學研究的重要極端條件，處在強磁場中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變過程都可能發(fā)生變化，這為物理、化學、材料和生物等學科提供了新的研究途徑。中國科學院強磁場科學中心正在建造不同磁場強度的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置，以滿足科學研究對磁場的要求。
穩(wěn)態(tài)強磁場實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。每個磁體裝置都由主機(磁體)、冷卻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測控系統(tǒng)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(gòu)成。磁體容器是磁體的載體，也是裝置相關(guān)系統(tǒng)的連接點，是保證水冷磁體裝置正常工作的重要環(huán)節(jié)，需要對其結(jié)構(gòu)進行CAE分析。
美國強磁場實驗裝置是當今世界磁場強度最高的實驗裝置，因此，中國科學院強磁場中心建造的磁場裝置是以美國實驗裝置為基礎(chǔ)而建造的。文獻中的圖片是美國水冷磁體容器結(jié)構(gòu)簡圖，其封蓋采用錐形封頭。在國內(nèi)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(shè)計的思想，根據(jù)裝置的具體要求設(shè)計了水冷磁體容器的結(jié)構(gòu)。設(shè)計中采用疊層式的上下蓋結(jié)構(gòu)，其目的是為了方便制造、節(jié)省經(jīng)費。
容器的工作介質(zhì)為去離子冷卻水，冷卻水進口水溫度為5℃，出口水溫度約為45℃；磁體工作時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(shè)計成雙層，在雙層筒體的上、下端和中部各設(shè)一圓環(huán)。上下端環(huán)作為與端蓋連接的法蘭，中環(huán)用來分割進出水流。內(nèi)層筒體的上、下部沿圓周方向開過水孔，冷卻水從四周進出，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。封蓋由3層鋼板疊放焊接成錐形，錐頂向內(nèi)，這樣可以減小容器的體積，也有利于實驗樣品和測量元件的放置，容器的整體結(jié)構(gòu)如圖所示。
傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖所示。在本設(shè)計中結(jié)合筒體端環(huán)對材料進行套裁，每塊鋼板的厚度為94 mm，實際用到的鋼板材料僅有2塊，第1塊鋼板中心切割下來的部分用于第3塊環(huán)鋼板，第2塊鋼板中心切割下來的用于制造小封蓋。由于這種形式的封蓋加工簡單，而且節(jié)約材料，很大程度上降低了成本。如果采用鍛造封蓋，成本會增加到5-7倍。
水冷磁體容器筒體采用雙層筒體，即內(nèi)筒體與外筒體，同時各筒體由上下兩部分組成即上半筒體與下半筒體，其結(jié)構(gòu)如圖。
筒體的特點是：(1)在筒體的內(nèi)層沿圓周方向開孔，高壓去離子冷卻水從上半筒體的內(nèi)層經(jīng)過周向孔流入容器內(nèi)部，冷卻磁體后從下半筒體內(nèi)層上的孔流出。如果高壓去離子冷卻水直接流入容器，會對容器內(nèi)的磁體產(chǎn)生較大的沖擊力，引起磁體裝置的振動。而沿周向開的孔使得水流入容器，均勻匯合，減輕了對容器內(nèi)部磁體的沖擊與振動。在筒體上對稱的開進、出水管孔，目的也是防止裝置的振動；(2)上半筒體與下半筒體的外層各開了4個大孔，分別為冷卻水與電源線的進、出口，開孔削弱了筒體的強度，必須進行補強設(shè)計，在筒體的開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(shù)取1，許用應(yīng)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溫差變化不大，內(nèi)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)計算見文獻。磁體工作時，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(shè)計壓力，即設(shè)計壓力p=30x1.1 kg/mm2。根據(jù)相關(guān)的計算選取螺釘，大封蓋采用48個M36的不銹鋼螺釘與筒體連接，小封蓋采用8個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。
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