密封与承载结构的解耦设计方法及一种支撑结构与流程
1.本发明涉及低温服役构件技术领域，特别涉及一种密封与承载结构的解耦设计方法及一种支撑结构。
背景技术：
2.在低温服役环境下，低温装置的密封通常采用带密封圈的法兰密封或焊接方式密封，而在部分同时需要进行密封和承载的位置，通常采用焊接方式来进行密封。
3.但当低温装置用于为工作对象提供低温服役环境时，其受力工况较为复杂，部分焊接区域同时受到重力、热应力、大气压力和电磁力等多力耦合的作用，且部分材料在低温环境下的收缩应力远大于部件间焊缝的承载应力，因此常会出现焊接区域焊缝承载能力不足进而导致密封性能失效的问题；特别是低温装置内具有温升要求的部件，其距离低温装置内部支撑结构较近，为避免焊接热量导致低温装置内部部件损坏，焊接时焊缝易出现无法充分焊接、进而导致焊缝质量较差的问题，质量较差的焊缝在低温服役过程中更易出现焊缝失效。
4.因此，如何保证低温装置内部部件不受焊接热影响，且低温装置具备良好的承载功能和密封功能，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种密封与承载结构的解耦设计方法，以保证使用该设计方法设计的低温装置具备良好的承载功能和密封功能。
6.本发明的另一目的在于提供一种使用上述设计方法设计的支撑结构。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种密封与承载结构的解耦设计方法，至少包括以下步骤：
9.s01：对需要进行密封及承载的复合位置进行解耦，分别进行承载结构的设计和密封结构的设计；
10.s02：设计承载结构：单独设计所述复合位置的承载结构形式，通过独立的机械连接结构实现有效承载；
11.s03：设计密封结构：在完成步骤s02后，单独设计所述复合位置的密封结构形式，使用薄壁接头设计包覆所述承载结构的密封结构，并通过焊接的方式实现所述复合位置的密封，以将包含所述承载结构的复合位置进行密封。
12.优选地，在上述密封与承载结构的解耦设计方法中，在步骤s03中，在所述密封结构的焊缝周围设置有散热层。
13.优选地，在上述密封与承载结构的解耦设计方法中，在步骤s02中，所述机械连接结构为螺纹配合的螺栓和螺母。
14.优选地，在上述密封与承载结构的解耦设计方法中，在步骤s01之前还包括步骤：
15.材料选型：选用轻合金结构材料进行所述复合位置的承载及密封结构设计；
16.承载结构布置：基于承载结构的承载需求将所述承载结构在主承力面上均匀布置；
17.在步骤s03之后还包括步骤：
18.强度校核及优化：使用有限元软件进行建模及强度校核，反复迭代优化，得到最终结构模型。
19.优选地，在上述密封与承载结构的解耦设计方法中，在材料选型步骤中，选用轻合金结构材料为铝合金或钛合金。
20.一种支撑结构，用于支撑超导磁体系统的低温装置，包括：
21.支撑杆、背板和承载板，所述支撑杆的第一端与所述背板固定且密封连接，第二端穿过所述承载板并通过机械连接结构与所述承载板连接，以将所述背板和所述承载板连接为一体结构；
22.密封结构，包括密封板，所述密封板套设于所述支撑杆的第二端，且所述密封板分别与所述支撑杆和所述承载板焊接密封。
23.优选地，在上述支撑结构中，所述机械连接结构包括连接环和紧固螺栓，所述支撑杆的第二端穿过所述连接环的内周并与所述连接环螺纹连接，所述连接环上开设有若干个锁紧孔，所述紧固螺栓穿过所述锁紧孔并与所述承载板螺纹连接。
24.优选地，在上述支撑结构中，所述承载板上设置有若干个热截断凹槽，所述热截断凹槽环绕所述密封板与所述承载板的焊缝位置设置。
25.优选地，在上述支撑结构中，所述热截断凹槽设置四个且沿所述密封板与所述承载板的焊缝位置周围均匀设置。
26.优选地，在上述支撑结构中，所述承载板上开设有用于放置所述密封板的凹槽，所述凹槽的周圈设置有焊接倒角。
27.优选地，在上述支撑结构中，所述支撑杆包括贯通所述支撑杆的中空通道。
28.优选地，在上述支撑结构中，所述支撑杆的第一端与所述背板焊接连接或一体成型。
29.从上述的技术方案可以看出，本发明提供的密封与承载结构的解耦设计方法，至少包括以下步骤：s01：对需要进行密封及承载的复合位置进行解耦，分别进行承载结构的设计和密封结构的设计，其中，现有的低温装置通常是将两瓣或多瓣部件进行拼接组合，以形成腔体并在低温装置的腔体内部创造低温服役环境，两瓣或多瓣部件通常使用焊接的方式进行结构固定及拼接缝隙的密封，该种设计及加工方式较为简单，但由于拼接缝隙处常会承受较大的组合应力，而焊接方式会对部件结构造成一定程度的损伤，且低温装置的服役温度下拼接的各部件会产生不同程度的形变，上述原因的叠加作用，使得作为承载结构的焊缝极易在低温装置运行的工况下发生断裂失效，进而使得低温装置丧失密封性能，使得低温装置失效，而本发明提供的设计方法，在步骤s01中，对低温装置上同时需要进行密封及承载的复合位置进行解耦设计，分别进行承载结构的设计和密封结构的设计，使得承载结构与密封结构在同一位置独立作用，避免互相影响造成失效。
30.在此基础上，本发明提供的设计方法还包括，步骤s02：设计承载结构：单独设计复合位置的承载结构形式，通过独立的机械连接结构实现有效承载，需要说明的是，此处机械连接结构是区别于焊接连接的连接方式，单独进行机械连接结构的设计能够在实现有效承
载的同时，根据所选材料的热膨胀系数的不同预设各材料的形变距离，以避免机械连接结构在低温服役温度时失效；步骤s03：设计密封结构：在完成步骤s02后，单独设计复合位置的密封结构形式，使用薄壁接头设计包覆承载结构的密封结构，并通过焊接的方式实现复合位置的密封，以将包含承载结构的复合位置进行密封，在步骤s03中，设计密封结构以包覆需要进行密封的复合位置，同时包覆步骤s02中设计的机械连接结构，并通过焊接的方式焊接密封结构，以将包含机械连接结构的复合位置进行密封。
31.本发明提供的密封与承载结构的解耦设计方法，首先对需要进行密封及承载的复合位置进行解耦设计，以确定复合位置对承载结构的功能需求和对密封结构的功能需求，再分别对复合位置的承载结构和密封结构进行设计，承载结构通过不同与焊接方式的机械连接结构实现，使得承载结构的设计更灵活多变；密封结构使用薄壁接头对复合位置及已设计完成的密封结构进行包覆，并通过焊接密封的方式实现有效密封。通过承载结构和密封结构的单独设计，使得承载结构和密封结构更具灵活性，同时，机械连接结构承担承载功能，焊接的薄壁接头实现密封功能，使得设计出的低温装置具有可靠有效的承载和密封功能。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明实施例提供的设计方法流程示意图；
34.图2为本发明实施例提供的低温装置及支撑装置结构示意图；
35.图3为图2的a-a向剖面示意图；
36.图4为图3的m处详图示意图；
37.图5为图3的零件爆炸示意图；
38.其中，1为支撑结构，10为支撑杆，110为中空通道，20为背板，30为承载板，310为热截断凹槽，320为焊接倒角，410为连接环，4110为锁紧孔，420为紧固螺栓，510为密封板。
具体实施方式
39.本发明的核心在于公开一种提供一种密封与承载结构的解耦设计方法，以保证使用该设计方法设计的低温装置具备良好的承载功能和密封功能。。
40.本发明的另一核心在于公开一种使用上述设计方法设计的支撑结构。
41.以下，参照附图对实施例进行说明。此外，下面所示的实施例不对权利要求所记载的发明内容起任何限定作用。另外，下面实施例所表示的构成的全部内容不限于作为权利要求所记载的发明的解决方案所必需的。
42.如图1所示，本发明实施例提供的密封与承载结构的解耦设计方法，至少包括以下步骤：s01：对需要进行密封及承载的复合位置进行解耦，分别进行承载结构的设计和密封结构的设计。需要说明的是，现有的低温装置通常是将两瓣或多瓣部件进行拼接组合，以形成腔体并在低温装置的腔体内部创造低温服役环境，两瓣或多瓣部件之间的拼接缝即为需
要进行承载及密封的复合位置，在拼接缝的位置通常采用焊接的方式以进行结构固定及拼接缝隙的密封，该种设计及加工方式较为简单，但由于拼接缝隙处常会承受较大的组合应力，同时焊接方式会对部件结构造成一定程度的损伤，且低温装置在服役温度下拼接的各部件会产生不同程度的形变，上述原因的叠加作用，使得作为承载结构的焊缝极易在低温装置运行的工况下发生断裂失效，进而使得低温装置丧失密封性能，使得低温装置失效，而本发明提供的设计方法，在步骤s01中，对低温装置上同时需要进行密封及承载的复合位置进行解耦设计，旨在通过单独设计的方式，使得在进行承载结构的设计时，仅考虑较优的承载方式，而在进行密封结构的设计时，无需考虑密封结构的承载性能，使得承载结构与密封结构在同一位置独立作用，避免互相影响造成失效。
43.在此基础上，本发明实施例提供的设计方法还包括，步骤s02：设计承载结构：单独设计复合位置的承载结构形式，通过独立的机械连接结构实现有效承载。需要说明的是，此处机械连接结构是区别于焊接连接的连接方式，其可以为螺纹连接、卡扣连接或铆钉连接，在进行承载结构的设计时，需要确定复合位置周边各材料的热膨胀系数，并预设各材料在低温服役环境下的形变量，以确定各材料在低温服役环境下的结构匹配，确保各材料在低温服役环境下处于可靠承载状态。
44.本发明实施例提供的设计方法还包括，步骤s03：设计密封结构：在完成步骤s02后，单独设计复合位置的密封结构形式，使用薄壁接头设计包覆承载结构的密封结构，并通过焊接的方式实现复合位置的密封，以将包含承载结构的复合位置进行密封，在步骤s03中，设计密封结构以包覆需要进行密封的复合位置，同时包覆步骤s02中设计的机械连接结构，并通过焊接的方式焊接密封结构，以将包含机械连接结构的复合位置进行密封，由于密封结构仅需通过焊接满足密封性能即可，因此密封结构通常使用薄壁接头设计适用性结构，其不仅满足产品设计的轻量化需求，同时，薄壁件的结构更易进行加工制作，使得密封结构能够灵活变化以贴合复合位置，使得密封效果更好。
45.本发明实施例提供的密封与承载结构的解耦设计方法，首先对需要进行密封及承载的复合位置进行解耦设计，以确定复合位置对承载结构的功能需求和对密封结构的功能需求，再依次对复合位置的承载结构和密封结构进行设计，承载结构通过不同与焊接方式的机械连接结构实现，使得承载结构在实现有效承载的同时，设计实现方式更灵活多变；密封结构使用薄壁接头对复合位置及已设计完成的密封结构进行包覆，并通过焊接密封的方式实现有效密封。通过承载结构和密封结构的单独设计，使得承载结构和密封结构更具灵活性，同时，机械连接结构承担承载功能，焊接的薄壁接头实现密封功能，使得设计出的低温装置具有可靠有效的承载和密封功能。
46.进一步地，考虑到在密封结构的设计过程中，焊接过程会产生大量的热量，而低温装置中部分部件有温升需求，其对于温度变化较为敏感，大量的焊接热量可能会使得部分部件形变较大而造成损伤，因此在本发明实施例提供的密封与承载结构的解耦设计方法中，在步骤s03中，在密封结构进行焊接的位置的焊缝周围设计有散热层，散热层用于吸收焊接过程中时放的热量，以避免焊接密封过程产生的热量对低温装置中其他部件造成形变失效。
47.进一步地，在本发明一优选实施例中，在步骤s02中，机械连接结构为螺纹配合的螺栓和螺母，螺纹连接在保证有效承载的同时，可以选用相同材质的螺栓和螺母，使得螺纹
连接结构在低温服役条件下保持相同的形变量，以保证低温服役条件下良好的承载性能。
48.进一步地，如图1所示，本发明实施例提供的设计方法在步骤s01之前还包括以下步骤：材料选型：选用轻合金结构材料进行所述复合位置的承载及密封结构设计；承载结构布置：基于承载结构的承载需求将所述承载结构在主承力面上均匀布置。
49.在步骤s03之后还包括步骤：强度校核及优化：使用有限元软件进行建模及强度校核，反复迭代优化，得到最终结构模型。
50.需要进行说明的是，考虑可能同时涉及到焊接和机械连接两种连接形式，在材料选型，选用的轻合金结构材料为铝合金或钛合金。
51.如图2-5所示，本发明实施例还提供了一种支撑结构，用于支撑超导磁体系统的低温装置，该支撑结构1包括支撑杆10、背板20和承载板30，其中，背板20和承载板30用于连接形成腔体，以提供低温服役环境，支撑杆10用于连接背板20和承载板30，支撑杆10的第一端与背板20固定并密封连接为一体结构，支撑杆10的第二端穿过承载板30，并通过机械连接结构与承载板30连接，以将背板20与承载板30连接为一体结构，需要说明的是，此处机械连接结构仅需实现支撑杆10的第二端与承载板30的有效连接即可，机械连接结构为区别与焊接连接的连接方式，其可以为螺纹连接、卡接或铆接，机械连接结构中的各个部件优选使用相同材质，以使得机械连接机构在低温服役环境下产生的形变量相同，使机械连接结构仍保持良好的连接效果。
52.此外，上述支撑结构1还包括密封结构，密封结构包括密封板510，密封板510为薄板件且密封板510套设于支撑杆10的第二端，密封板510包覆支撑结构1中的机械连接结构，且密封板510分别与支撑杆10和承载板30焊接密封，需要说明的是，密封板510首先与支撑杆10的第二端固定连接，再通过焊接的方式与支撑杆10实现密封，再将密封板510与承载板30进行焊接，以覆盖承载板30上设置机械连接结构的位置，并密封背板20和承载板30之间形成的腔体，以完成支撑结构1的密封。
53.需要进行说明的是，在上述实施例中，密封结构的设置顺序位于机械连接结构设置的下游，其原因是不仅支撑杆10的第二端与承载板30之间的连接会产生漏气缝隙，且还会由于不同的机械连接结构方式可能会破坏承载板30的密闭性，从而使得背板20与承载板30之间形成的腔体密闭性差，产生漏气，因此密封结构设置于机械连接结构设置的下游，以将支撑杆10的第二端与承载板30之间焊接密封的同时，将机械连接结构进行包覆密封，保证背板20与承载板30形成的腔体的密封性。
54.需要进一步说明的是，密封板510为薄板，优选密封板510厚度为0.5mm-3.5mm，密封板510用于进行焊接密封，薄板的密封板510能够进行灵活的结构变化，以在进行密封时能够良好地包覆需要进行密封的区域。
55.在本发明一优选实施例中，机械连接结构包括连接环410和紧固螺栓420，其中，连接环410为环状结构且环形的内周上开设有螺纹，支撑杆10的第二端穿过连接环410的内周并与连接环410的内周螺纹连接，以实现支撑杆10与连接环410的固定连接；连接环410上开设有若干个锁紧孔4110，紧固螺栓420能够与锁紧孔4110配合以穿过锁紧孔4110，同时，在承载板30上开设有若干个与紧固螺栓420螺纹配合的螺纹孔，紧固螺栓420穿过锁紧孔4110并与承载板30螺纹连接，通过连接环410和紧固螺栓420，实现了支撑杆10与承载板30的有效连接，同时，支撑杆10与背板20固定连接，使得背板20、支撑杆10和承载板30连接为一体
结构。
56.进一步地，为了避免在密封板510的焊接密封过程中，焊接热量过大而造成焊缝周围部件的损伤，在本发明一具体实施例中，在承载板30上设置有若干个热截断凹槽310，热截断凹槽310为镂空设置的凹槽结构，其内部为空气或其他惰性气体，热截断凹槽310环绕密封板510与承载板30的焊缝设置，在进行密封板510的焊接时，焊接热量部分被热截断凹槽310吸收并缓慢释放至承载板30外界，剩余部分热量传递至周边部件，以减少焊接热量对周边部件的影响。
57.在本发明一优选实施例中，热截断凹槽310设置四个，且四个热截断凹槽310染着密封板510与承载板30的焊缝位置周围均匀设置。
58.需要说明的是，热截断凹槽310也可以为一个或多个环绕焊缝设置的圆形凹槽，其设置形式可以根据密封板510的焊接热量对焊缝周边部件的影响程度确定，焊接热量高时可以适当增加热截断凹槽310的设置长度及数量。
59.进一步地，为了使密封板510与承载板30之间的焊接更为便捷，进而降低焊接对承载板30的损伤，在本发明实施例提供的支撑结构1中，承载板30上开设有用于防止密封板510的凹槽，密封板510嵌入承载板30设置，使得密封板510与承载板30紧密接触，同时，在密封板510的凹槽走位设置有焊接倒角320，倒角在密封板510的焊接过程中便于焊丝的伸入，且使用焊丝焊缝填满倒角，能够进一步优化密封板510与承载板30之间的密封效果。
60.此外，为了使本发明实施例提供的支撑装置既可以支撑超导磁体系统的低温装置，同时能够结合外杜瓦承载的需要灵活进行支撑位置的布置调整，在本发明实施例提供的支撑装置中，支撑杆10包括贯通支撑杆10的中空通道110，其既可以降低支撑装置的重量，满足轻量化设计的需求，同时能够选择不同支撑杆10的中空通道110进行低温装置的支撑。
61.进一步地，在本发明实施例提供的支撑结构1中，支撑杆10的第一端与背板20通过焊接连接的方式实现固定且密封的连接，也可以通过一体成型的方式实现固定且密封的连接，优选采用焊接连接的方式，其造价低且操作便捷。
62.本发明还提供了一种内部设置有热脱扣结构的断路器，该热脱扣结构具有上述人一实施例提供的热脱扣结构的技术效果的一项或多项。
63.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
64.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
