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強(qiáng)磁場(chǎng)是科學(xué)研究的重要極端條件，處在強(qiáng)磁場(chǎng)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(xué)、材料和生物等學(xué)科提供了新的研究途徑。中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心正在建造不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，以滿足科學(xué)研究對(duì)磁場(chǎng)的要求。
穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置主要包括水冷磁體裝置、超導(dǎo)磁體裝置以及由水冷磁體與超導(dǎo)磁體組合的混合磁體裝置。每個(gè)磁體裝置都由主機(jī)(磁體)、冷卻系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)組成。水冷磁體的主機(jī)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(diǎn)，是保證水冷磁體裝置正常工作的重要環(huán)節(jié)，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE分析。
美國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是當(dāng)今世界磁場(chǎng)強(qiáng)度最高的實(shí)驗(yàn)裝置，因此，中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心建造的磁場(chǎng)裝置是以美國(guó)實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)而建造的。文獻(xiàn)中的圖片是美國(guó)水冷磁體容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其封蓋采用錐形封頭。在國(guó)內(nèi)直接加工這樣的封頭需要鍛造，加工制造費(fèi)用昂貴。本文參照美國(guó)水冷磁體容器設(shè)計(jì)的思想，根據(jù)裝置的具體要求設(shè)計(jì)了水冷磁體容器的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)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(fèi)。
容器的工作介質(zhì)為去離子冷卻水，冷卻水進(jìn)口水溫度為5℃，出口水溫度約為45℃；磁體工作時(shí)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(jì)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(jìn)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(jìn)出，這樣可以減輕冷卻水對(duì)磁體的沖擊，從而減輕磁體裝置的振動(dòng)。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(shí)驗(yàn)樣品和測(cè)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(jī)械加工而成，加工制造費(fèi)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(jì)中結(jié)合筒體端環(huán)對(duì)材料進(jìn)行套裁，每塊鋼板的厚度為94 mm，實(shí)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(jiǎn)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(huì)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(shí)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(diǎn)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(huì)對(duì)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(dòng)。而沿周向開的孔使得水流入容器，均勻匯合，減輕了對(duì)容器內(nèi)部磁體的沖擊與振動(dòng)。在筒體上對(duì)稱的開進(jìn)、出水管孔，目的也是防止裝置的振動(dòng)；(2)上半筒體與下半筒體的外層各開了4個(gè)大孔，分別為冷卻水與電源線的進(jìn)、出口，開孔削弱了筒體的強(qiáng)度，必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，在筒體的開孔處各焊接一層補(bǔ)強(qiáng)圈。
容器材料采用低磁性304不銹鋼，常溫下的屈服強(qiáng)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(shí)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(jì)算見文獻(xiàn)。磁體工作時(shí)，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(jì)壓力，即設(shè)計(jì)壓力p=30x1.1 kg/mm2。根據(jù)相關(guān)的計(jì)算選取螺釘，大封蓋采用48個(gè)M36的不銹鋼螺釘與筒體連接，小封蓋采用8個(gè)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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