多工況下ITER中心螺管饋線系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)力分析.pdf

1、國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)的目標(biāo)，是通過多國(guó)合作，研制一個(gè)可以自持燃燒的托卡馬克可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，用來驗(yàn)證熱核聚變反應(yīng)堆的技術(shù)科學(xué)性、工程可行性和運(yùn)行可靠性，為和平、安全利用聚變能進(jìn)行科學(xué)探索和研究。中心螺管磁體線圈的饋線系統(tǒng)，是負(fù)責(zé)完成向中心螺管磁體線圈傳輸電流、提供冷卻介質(zhì)和進(jìn)行運(yùn)行診斷控制等任務(wù)，是超導(dǎo)電纜、冷卻管和診斷線纜進(jìn)出裝

2、置的通道。該饋線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造的質(zhì)量，對(duì)于中心螺管磁體、乃至整個(gè)ITER裝置能否正常運(yùn)行，起著十分重要的作用。 本課題是來源于國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃973項(xiàng)目“國(guó)際科技合作重點(diǎn)項(xiàng)目計(jì)劃”課題，和973項(xiàng)目“ITER超導(dǎo)饋線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與預(yù)研”課題。課題研究的重點(diǎn)，針對(duì)ITER裝置關(guān)鍵部件--中心螺管磁體饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的分析研究，建立了一套多工況(靜力、電磁、振動(dòng)等工況)下饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)

3、、有限元數(shù)值仿真分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化該饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性，為ITER裝置的工程設(shè)計(jì)、制造和建設(shè)提供合理和準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)參數(shù)和依據(jù)。 本課題論文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 首先,對(duì)CS饋線系統(tǒng)中的S彎盒、CTB盒的矩形板加強(qiáng)筋的間距、設(shè)置加強(qiáng)筋后的組合截面慣性距進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并計(jì)算與校核了該組合截面的彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力。在基于工程和物理性能的要求下，對(duì)CS饋線系統(tǒng)中的S彎盒、CTB盒、In-d

4、uct直線段管、超導(dǎo)母線S形彎曲的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，得到結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度條件下的最佳結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)。 其次,在In-duct直線段管優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出在小撓度求解條件下薄殼線性穩(wěn)定的基本方程。然后，依據(jù)能量準(zhǔn)則的有限元穩(wěn)定性判據(jù)、屈曲點(diǎn)臨界載荷特征值的計(jì)算原理，對(duì)直線段管進(jìn)行屈曲數(shù)值分析比較，得出模型的不同壁厚與臨界屈曲載荷的關(guān)系曲線，并分析出最佳結(jié)構(gòu)形式不同工況下的各階屈曲模態(tài)變形圖

5、和相對(duì)應(yīng)的臨界載荷，得出了設(shè)置支撐以后的工況對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能有很大提高的結(jié)論，并驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在正常工況和故障狀態(tài)下均不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。 再次，基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征值分析理論、振型分解理論、地震反應(yīng)譜理論，文章先后對(duì)饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析、地震譜響應(yīng)分析、地震時(shí)程分析，獲得地震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的極值情況，和結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的位移、加速度和應(yīng)力等的響應(yīng)隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線。通過地震譜響應(yīng)分析和地震時(shí)程分析兩種結(jié)果數(shù)值的比較和分析，驗(yàn)證了在地

6、震激勵(lì)下CS饋線系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性能。 最后，根據(jù)相似比理論、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，本著滿足實(shí)驗(yàn)相似模型與電纜原型結(jié)構(gòu)之間的幾何、物理、邊界條件、動(dòng)力平衡、運(yùn)動(dòng)初始條件相似等的要求原則，并考慮地震模擬振動(dòng)臺(tái)承載能力、安裝尺寸限制等方面的條件，本課題討論了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的確定，對(duì)超導(dǎo)電纜相似模型進(jìn)行不同強(qiáng)度的地震動(dòng)模擬激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)，和結(jié)構(gòu)的加速度、位移和應(yīng)變響應(yīng)情況