Desarrollo, validación experimental y aplicación de modelo de elementos finitos termomecánico de un panel de detectores para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) asociado al experimento ATLAS

Abstract

[EN] The Project has been about both the development and experimental validation of two models of finite element, one as thermomechanical y the other as electronic of detectors structure (commonly called petal) for the Large Hadron of Collider (LHC) related to the ATLAS experiment, and the development of a petal prototype to carry out apart from the validation of numerical models also the assessment of the petal regarding to the foreseen aims fulfilling with the specifications demanded in the experiment. Development of the prototype (definition of its physical and geometrical properties) has been conducted attending to structure specifications and fulfilling with requirements such as structural, thermal, electrical, of radiation and of humidity demanded for each one of the components which constitute the petal. For the development of the different three-dimensional finite element models has been created first the volumes of the components in Ansys (some have been created with the tools of the software and others importing the CAD geometry generated in different software). Next the meshing with hexaedral elements as much as possible. The physical properties of the materials have been defined for the application and some of the material densities have been adjusted to reach real masses. Different elements have been used for each type of analysis. During the detector working an increment of the temperature is produced due to the collision of particles used at the test. The detector working is only stable if the working temperature is kept between a tight limits and for that the petal include a system of cooling of internal pipes. By the other hand, the correct work of the petal requires of low strains. Therefore the aim of the petal is both to be a mechanical support for the detectors and as a cooling system for all the electronics mounted on the structure. For the assessment of thermomechanical behavior of the petal with a suitable level of accuracy should be needed an appropriate adjustment of numerical model used and the real prototype after the experimental validation. For the validation of numerical models a number of tests have been made checking the results obtained with the FEM with those obtained with the prototype. Tests of stiffness have been carried out to check strains and deflections, thermal test to check also deflections and strains apart from levels of temperature and vibration tests to check the first modes of the component. Except in the vibration tests significant differences have been detected in all results so the numerical model have not been adjusted and then the prototype have not been validated and assessed in real working conditions.

[ES] El proyecto ha consistido tanto en el desarrollo y validación experimental de dos modelos de elementos finitos, uno termomecánico y otro electrónico de un panel de detectores (comúnmente denominado pétalo) para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) asociado al experimento ATLAS, como en el desarrollo de un prototipo del pétalo para poder llevar a cabo además de la validación del modelo numérico la evaluación del pétalo para los fines previstos cumpliendo con las especificaciones exigidas en el experimento. El desarrollo del prototipo (definición de sus propiedades físicas y geométricas) se ha realizado atendiendo a especificaciones en la estructura y cumpliendo con requisitos de tipo estructural, térmico, eléctrico, de radiación y de humedad exigidos para cada uno de los componentes que constituyen el pétalo. Para el desarrollo de los diferentes modelos tridimensionales de elementos finitos se ha creado en primer lugar los volúmenes en Ansys de los componentes (algunos de ellos se han creado usando las herramientas del propio programa y otros importando el CAD generado en otros softwares). A continuación se ha procedido al mallado con hexaedros en la medida de lo posible. Donde las propiedades físicas de los materiales han sido definidas para la aplicación y algunas de las densidades han sido ajustadas para alcanzar las masas reales. Se ha utilizado elementos diferentes para cada tipo de análisis. Durante el funcionamiento del detector se produce una elevación de la temperatura debido a la colisión de las partículas utilizadas en el ensayo. El funcionamiento del detector sólo es estable si se mantiene la temperatura de trabajo dentro de un estrecho margen y para ello el pétalo dispone de un sistema de refrigeración mediante tubos internos. Por otro lado, el trabajo correcto del pétalo requiere deformaciones muy bajas. Por lo tanto, el pétalo ha de servir tanto de soporte mecánico a los detectores como de sistema de refrigeración de toda la electrónica montada sobre la estructura. Para la evaluación del comportamiento termomecánico del pétalo con un nivel de precisión adecuado sería necesario un correcto ajuste del modelo numérico utilizado y del prototipo real tras la validación experimental. Para la validación del modelo numérico se ha realizado una serie de ensayos contrastando los resultados obtenidos con el FEM con los obtenidos en el prototipo. Se ha llevado a cabo ensayos de rigidez para contrastar deflexiones y deformaciones, ensayos térmicos para contrastar también deflexiones y deformaciones además de niveles de temperatura, y ensayos de vibraciones para contrastar los primeros modos del componente. Excepto en el ensayo de vibraciones se ha detectado diferencias significativas en todos los resultados por lo que no se ha podido ajustar el modelo numérico y por tanto no se ha podido validar prototipo y evaluarlo en condiciones reales de funcionamiento.

[CA] El projecte ha consistit tant en el sesenvolupament i validació experimental de dues models d'Elements Finits, un termomecànic i un altre electrònic de panell de detectors (comunament denominat Pètal) per al Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) associat a l'experiment ATLAS, com en el desenvolupament d’un prototip del pètal per a poder realitzar a més de la validació del model numèric la avaluació del pètal per als fins previstes complint amb les especificacions exigides en l'experiment. El desenvolupament del prototip (definició de les seves propietats físiques i geomètriques) s'ha realitzat atenent a especificacions en l'estructura i complint amb: requisites de tipus estructural, tèrmic, elèctric, de radiació i d'humitat exigits per cadascun dels components que constitueixen el pètal . Per al Desenvolupament dels diferents models tridimensionals d'elements finits s'ha creat en primer lloc els volums en Ansys dels components (alguns d’ells s'han creat usant les eines del mateix programa i altres important el CAD generat a altres programaris). A continuació s'ha procedit al mallat amb hexaedros en la mesura del possible. On les propietats físiques dels materials han estat definides per a l'aplicació i algunes de les densitats han estat ajustades per a assolir les Masses reals. S'ha utilitzat elements diferents per a cada tipus d'anàlisi. Durant el funcionament del detector es produirà una elevació de la temperatura degut a a la col·lisió de les partícules utilitzades en l'assaig. El funcionament del detector només és estable si es manté la temperatura de treball dins d’un estret marge i per això el pètal disposa d’un sistema de refrigeració mitjançant tubs interns. Per altre costat, el treball correcte del pètal requereix deformacions molt baixes. Per tant, el pètal ha de servir tant de suport mecànic a els detectors com de sistema de refrigeració de tota l'electrònica muntada sobre l'estructura. Per a l’evaluació del comportament termomecànic del pètal amb un nivell de precisió adequat seria necessari un correcte atjust del model numèric utilitzat i del prototip real després de la validació experimental. Per la validació del model numèric s'ha realitzat una sèrie d'assaigs contrastant els resultats obtinguts amb el FEM amb els obtinguts en el prototip. S'ha dut a terme assaigs de rigidesa per contrastar deflexions i deformacions, assajos tèrmics per contrastar també deflexions i deformacions a més de nivells de temperatura, i assaigs de vibracions per contrastar els primers modes del component. Excepte en l'assaig de vibracions s'ha detectat differences significatives en tots els resultats per el que no s'ha pogut ajustar el model numèric i per tant no s'ha pogut validar el prototip i avaluar-lo en condicions reals de .funcionament.