Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Multifisica

Al CERN nuova generazione di magneti

A cura di Charilaos Kokkinos Mechanical & Aeronautics Engineer, FEAC Engineering, Ioannina, Greece

Il CERN si avvale di una soluzione multifisica per ottimizzare il design di un magnete superconduttore per acceleratori

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Il CERN (Centro Europeo per la Ricerca Nucleare) ha sostituito i magneti del Large Hadron Collider (LHC) con nuovi componenti di dimensioni più ridotte per fare spazio a strumenti aggiuntivi. I nuovi magneti  - che devono generare un campo magnetico maggiore rispetto a quello precedente - producono forze assiali a 84 tonnellate metriche per lato e forze laterali di 3.16 MN/m per quadrante alla corrente nominale di 11.85 kA, pari al doppio dei dipoli principali esistenti sull’LHC. La struttura deve mantenere una deformazione del conduttore pari a zero per evitare che la bobina si tempri (passaggio da superconduttore a stato resistivo). Anche una piccola deformazione potrebbe incrementare la resistenza elettrica e far salire la temperatura al punto da portare il conduttore alla perdita del suo stato di superconduttore. Al CERN sono state condotte analisi per progettare 11 Tesla (T) acceleratori magnetici superconduttori con l’aiuto degli strumenti  ANSYS per la simulazione elettromagnetica, termica e strutturale. I domini fisici multipli accoppiati all’interno della piattaforma ANSYS Workbench hanno reso possibile l’ottimizzazione del design attraverso l’analisi simultanea in tutte le fisiche. Il tempo necessario per la progettazione è stato ridotto anche grazie al trasferimento automatizzato dei modelli, ai parametri di design e ai dati tra i domini di simulazione forniti da ANSYS Workbench.

 

UNA NUOVA GENERAZIONE DI MAGNETI

LHC è l’acceleratore di particelle più grande e potente del mondo. Al suo interno, due raggi di particelle ad alta energia viaggiano in direzioni opposte su binari separati ad una velocità pari quasi a quella della luce prima di collidere. Questi raggi sono guidati intorno all’anello dell’acceleratore da un campo magnetico mantenuto da un superconduttore elettromagnetico che opera a 1.9 K (-271.3 C) a una temperatura più fredda rispetto allo spazio esterno. Per migliorare le caratteristiche dell’attuale LHC – che ha dimostrato con successo l’esistenza del Bosone di Higgs dando vita all’HL-LHC (high-luminosity LHC) - è stato necessario installare nuovi magneti necessariamente più corti per lasciar spazio ad altre strumentazioni volte ad assottigliare i raggi di particelle e a proteggere l’anello LHC dalle perdite dei raggi. Di conseguenza, i magneti più piccoli devono compensare generando un campo magnetico maggiore di 11T rispetto ai magneti 8.3 3T attualmente usati. Allo scopo di incrementare il campo magnetico è stato necessario sostituire il conduttore Nb-Ti con un Nb3Sn.

I magneti devono essere estremamente rigidi perché anche un lieve movimento del conduttore (dell’ordine dei nanometri) potrebbe innalzare la temperatura. Inoltre, il design strutturale può beneficiare di una temperatura operativa bassa del magnete dato che aumenta la rigidità dei materiali e delle strutture. La combinazione corretta di pre-stress applicato a temperatura ambiente, insieme allo stress addizionale causato dal restringimento della struttura durante il raffreddamento consentirà alla bobina di performare nei limiti di sicurezza. Chiaramente, le proprietà elettromagnetiche, termiche e strutturali accoppiate di ogni design proposto devono comprendere pienamente il comportamento di ciascuna iterazione.

Generazioni precedenti di magneti erano state progettate con strumenti di simulazione separati, approccio che richiedeva che gli utenti  lavorassero in ambienti software variegati, importassero ed esportassero modelli e dati manualmente, e inserissero i risultati in diversi ambienti. L’intero processo di simulazione era così time-consuming che potevano essere analizzate solo poche alternative di design e non era possibile ottimizzare simultaneamente il design in base alle performance nei domini multipli.

 

 

ACCOPPIAMENTO DIRETTO

TRA DOMINI DI ANALISI

Gli ingegneri del CERN hanno introdotto un metodo innovativo per progettare la generazione futura di magneti superconduttori: la combinazione di computer-aided design (CAD) avanzato con simulazioni multifisiche accoppiate in un ambiente di design integrato. Questo nuovo approccio ha reso possibile la gestione dell’intero processo di design in un unico ambiente e l’integrazione bidirezionale con la piattaforma CAD CATIA per la condivisione dei parametri di design. È stato creato un collegamento diretto e lo scambio di dati tra domini diversi di simulazione, semplificando l’esplorazione dello spazio di design per arrivare ad un risultato ottimale.

Il concept design iniziale dei magneti è stato creato in CATIA® come modello parametrico e tutti i parametri sono poi stati trasferiti in ANSYS Workbench usando CADNEXUS/CAPRI CAE Gateway per CATIA V5. Il modello è stato modificato e semplificato in ANSYS DesignModeler in preparazione all’analisi a modelli finiti. L’analisi elettromegnetica è stata effettuata sia in ANSYS EMAG, sia in ANSYS Maxwell e i risultati comparati in due ambienti di analisi con differenti densità di mesh, tipi di elementi, setup e algoritmi. Il CERN progettava ancora magneti superconduttori con un programma specifico chiamato ROXIE per acceleratori magnetici sviluppato in-house. I progettisti hanno analizzato il design precedente con Emag e Maxwell che utilizzano differenti procedure, solutori e metodologie ed entrambi i programmi hanno dato risultati in linea con quelli di ROXIE.

Le forze elettromagnetiche di Lorentz sono state calcolate da Emag e Maxwell e trasferite in ANSYS Mechanical come densità di forza sui corpi grazie al collegamento diretto fornito dall’ambiente ANSYS Workbench.  ANSYS Mechanical è stato impiegato per condurre analisi strutturali e termiche prendendo in considerazione la maggiore rigidità della struttura dopo essersi raffreddata a temperatura operativa e gli effetti termici regolarizzati applicando un pre-stress al modello che provoca deformazioni della bobina a causa delle forze di Lorentz.

 

 

OTTIMIZZAZIONE DI DESIGN DEI MAGNETI

Gli ingegneri hanno esplorato lo spazio di design e determinato la sensibilità del design ai vari parametri grazie ad ANSYS DesignXplorer. La piattaforma di integrazione Workbench ha scambiato dati senza interruzione tra i solutori elettromagnetico e strutturale, mentre un controllore del processo ha simulato sequenzialmente tutti i punti di design e raccolto i risultati. DesignXplorer ha impiegato algoritmi avanzati di design of experiments (DOE) per investigare in modo efficiente lo spazio di design con il numero di punti di design minimo. Il primo punto di design con il primo set di valori parametrici è stato inviato al parameter manager in Workbench. È stato simulato un nuovo punto di design e i risultati di output sono stati reinviati al design point table dove sono stati archiviati. Il processo è continuato fino alla soluzione dei punti di design. DesignXplorer ha costruito una superficie di risposta (meta model) a partire dai dati e impiegato metodi statistici per analizzare lo spazio di design per la sensibilità e ottimizzare il design. Il software lancia automaticamente centinaia di iterazioni e identifica un design per minimizzare l’impiego di materiale magnetico costoso e per rispettare le richieste e restrizioni del processo di fabbricazione.

Alcuni sottoinsiemi del design ottimizzato proposto sono stati già testati e le loro performance hanno rispettato le previsioni ottenute con la simulazione. Le dimensioni della piastra di protezione sono state ridotte da 70 mm a 50 mm per il magnete 1-in-1 e da 90 mm a 75 mm per il componente 2 in 1 per far fronte ai problemi di spazio. Questo nuovo design ha permesso di risparmiare denaro e materiale e di ridurre i tempi di progettazione di cinque mesi, mantenendo lo stesso livello di rigidità dei magneti precedenti. Utilizzando l’esplorazione di design per produrre la superficie di risposta, per condurre l’analisi di sensitività e per capire lo spazio di design, gli ingegneri hanno identificato il set migliore che soddisfa i parametri cruciali e garantisce condizioni operative sicure per l’acceleratore magnetico. Questo metodo ha ridotto i tempi di progettazione rispetto al passato, soprattutto quelli dedicati in precedenza alla scrittura di APDL e all’input nei differenti strumenti di simulazione. ANSYS ha consentito un risparmio di tre settimane nel processo di ottimizzazione e nel setup del modello. E continuerà ad essere impiegato per il design dei futuri acceleratori superconduttori magnetici.

References

Karppinen, M.; Andreev, N.; Apollinari, G.; Auchmann, B.; Barzi, E.; Bossert, R.; Kashikhin, V.V.; Nobrega, A.; Novitski, I.; Rossi, L.; Smekens, D.; Zlobin, A.V. Design of 11 T Twin-Aperture Nb3Sn Dipole Demonstrator Magnet for LHC Upgrades.

Applied Superconductivity, IEEE Transactions. 2012. Volume 22, Issue 3.

Charilaos Kokkinos left CERN in 2013 to found FEAC Engineering, a startup engineering company specializing in simulation-driven product development. FEAC warmly thanks the project leader of the 11T dipole magnet, Mikko Karppinen.

Tratto da “Advantage”, Ansys, vol.VIII, Issue 2, 2014. Per gentile concessione

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