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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)結構及其轉變過程都可能發(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成。磁體容器是磁體的載體，也是裝置相關系統(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)，需要對其結構進行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而建造的。文獻中的圖片是美國水冷磁體容器結構簡圖，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計的思想，根據(jù)裝置的具體要求設計了水冷磁體容器的結構。設計中采用疊層式的上下蓋結構，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。筒體設計成雙層，在雙層筒體的上、下端和中部各設一圓環(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，容器的整體結構如圖所示。
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，封蓋結構如圖所示。在本設計中結合筒體端環(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，其結構如圖。
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倍作為設計壓力，即設計壓力p=30x1.1 kg/mm2。根據(jù)相關的計算選取螺釘，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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