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基于ANSYS多物理场工具优化超导加速器磁铁

2015/11/25    来源:ANSYS    作者:Charilaos Kokkinos      
关键字:ANSYS  多物理场  优化  设计  
本文介绍了CERN采用ANSYS多物理场工具优化超导加速器磁铁,分析过程所建议的最优设计的某些部分已完成了构建与测试,而且其性能符合仿真预测结果。

    欧洲核子研究组织需要用更小的磁铁更换大型强子对撞机(LHC)的磁铁。全新磁铁的尺寸可为其它仪器留出空间,但是磁铁必须要能够产生比其替代的组件更强的磁场。在11.85kA的额定电流下,新的磁铁能在端板每侧产生84公吨的轴向力和每扇形体3.16MN/m的侧向力,这些数据非常惊人,因为已经接近LHC现有主偶极子的两倍。结构必须维持导体的几乎零变形,以避免线圈失超(导体从超导转变为有阻力状态)即使小的变形也会导致电阻和温度的增加,从而造成导体失去超导态。作者在CERN工作的期间通过大量分析研究为此项目设计出11特斯拉(T)的超导加速器磁铁。工程师们通过采用ANSYS的电磁、热与结构仿真工具解决了相关挑战。ANSYS WorkBench环境中耦合的多物理场能借助过去无法实现的同时研究所有物理场而完成设计优化。此外,ANSYS Workbench提供的、仿真领域之间的模型、设计参数与数据自动传输也缩短了工程时间。

新一代磁铁

 LHC是全球规模最大、功能最强的粒子加速器。加速器的加速管中两个高能粒子束以接近于光速的速度在相反方向行进,最后被迫对撞。超导电磁铁产生的磁场引导围绕着加速环的粒子束,而超导电磁铁的工作温度为1.9K(–271.3°C),其比太空温度还要低。将LHC当前的设计(其已经成功证明了希格斯玻色子的存在)升级到高亮度LHC(HL-LHC)需要安装一些新磁铁。这些磁铁必须进行缩短,以便有空间容纳新仪器,后者有助于收缩粒子束和防止LHC环产生束流损失。因此变小的磁铁必须采用11T的更高磁场进行补偿,而目前所用磁铁为8.33T。为增强磁场,导体必须从Nb-Ti更改为Nb3Sn。

 磁铁必须极其牢固,因为即使导体的轻微移动(纳米量级)也会导致失超。导体的小变形会提高其局部电阻,从而导致该处的温度升高和失超。另一方面,结构设计能够利用的优势是磁铁较低的工作温度可以提高材料的刚度、进而提高结构刚度。室温下施加的预应力与冷却过程中结构收缩产生的附加应力的合适组合可确保线圈不超出安全的应力极限。显然,为了充分地了解各种推荐设计迭代的性能,显然必须考虑各种推荐设计的电磁、结构与热耦合特性。

 前一代磁铁的设计采用了独立仿真工具。该方法需要用户在多个软件环境中学习与工作,在各个环境中手动输入或导入模型数据,以及把结果手动输入到其它仿真环境中。整个仿真过程极为耗时,因此只能考虑数量相当少的设计备选方案,而且无法根据在多个领域的性能优化设计。

图1 前一代磁铁的设计采用了独立仿真工具

图1 前一代磁铁的设计采用了独立仿真工具

分析领域之间的直接耦合

 工程师们在设计新一代超导磁铁时采用了新的方法:在集成型设计环境中结合计算机辅助设计(CAD)工具以及耦合的多物理场仿真。新方法能在统一环境实施整个设计过程,同时提供与CATIA的CAD的双向集成,而且允许所有应用程序通过单个表格共享设计参数。仿真领域之间实现了直接链接和数据交换,因此便于探索设计空间并迭代到优化的设计。

责任编辑:吴星星
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