多工况下ITER中心螺管馈线系统的优化设计与动力分析

论文摘要

国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）的目标,是通过多国合作,研制一个可以自持燃烧的托卡马克可控核聚变实验装置,用来验证热核聚变反应堆的技术科学性、工程可行性和运行可靠性,为和平、安全利用聚变能进行科学探索和研究。中心螺管磁体线圈的馈线系统,是负责完成向中心螺管磁体线圈传输电流、提供冷却介质和进行运行诊断控制等任务,是超导电缆、冷却管和诊断线缆进出装置的通道。该馈线系统的设计、制造的质量,对于中心螺管磁体、乃至整个ITER装置能否正常运行,起着十分重要的作用。本课题是来源于国家重点基础研究发展规划973项目“国际科技合作重点项目计划”课题,和973项目“ITER超导馈线系统的设计与预研”课题。课题研究的重点,针对ITER装置关键部件——中心螺管磁体馈线系统的结构进行了系统、深入的分析研究,建立了一套多工况（静力、电磁、振动等工况）下馈线系统结构的优化设计方法。通过优化设计、有限元数值仿真分析、结构动态力学分析和实验,优化该馈线系统的结构参数,验证所设计结构的可靠性,为ITER装置的工程设计、制造和建设提供合理和准确的结构参数和依据。本课题论文的研究内容和创新点如下:首先对CS馈线系统中的S弯盒、CTB盒的矩形板加强筋的间距、设置加强筋后的组合截面惯性距进行了设计,并计算与校核了该组合截面的弯曲应力和薄膜应力。在基于工程和物理性能的要求下,对CS馈线系统中的S弯盒、CTB盒、In-duct直线段管、超导母线S形弯曲的结构等进行了数学建模、结构设计、强度分析和结构参数优化,得到结构满足强度条件下的最佳结构形式和结构参数。其次,在In-duct直线段管优化分析的基础上,推导出在小挠度求解条件下薄壳线性稳定的基本方程。然后,依据能量准则的有限元稳定性判据、屈曲点临界载荷特征值的计算原理,对直线段管进行屈曲数值分析比较,得出模型的不同壁厚与临界屈曲载荷的关系曲线,并分析出最佳结构形式不同工况下的各阶屈曲模态变形图和相对应的临界载荷,得出了设置支撑以后的工况对于结构稳定性能有很大提高的结论,并验证了该结构在正常工况和故障状态下均不会发生失稳现象。再次,基于结构振动特征值分析理论、振型分解理论、地震反应谱理论,文章先后对馈线系统的结构进行了模态分析、地震谱响应分析、地震时程分析,获得地震激励下结构响应的极值情况,和结构各点的位移、加速度和应力等的响应随时间变化的时程曲线。通过地震谱响应分析和地震时程分析两种结果数值的比较和分析,验证了在地震激励下CS馈线系统各个结构的安全性能。最后,根据相似比理论、《建筑抗震设计规范》和《核电厂抗震设计规范》,本着满足实验相似模型与电缆原型结构之间的几何、物理、边界条件、动力平衡、运动初始条件相似等的要求原则,并考虑地震模拟振动台承载能力、安装尺寸限制等方面的条件,本课题讨论了实验模型的设计、实验方案和实验目标的确定,对超导电缆相似模型进行不同强度的地震动模拟激励实验,获得结构的动力特性参数,和结构的加速度、位移和应变响应情况。将这些实验数值结果,与地震时程仿真分析的结果进行比较和分析,验证了相似实验结果的准确性和可信性,和装置结构动力学的安全性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 人类开发利用能源的历史
• 1.2 面临的能源问题及其发展趋势
• 1.3 受控热核聚变研究的历史和ITER
• 1.3.1 受控热核聚变的原理
• 1.3.2 受控热核聚变研究的历史
• 1.3.3 ITER发展之路
• 1.3.4 中国核聚变研究概况和加入ITER的战略意义
• 1.4 ITER装置馈线系统的研究现状
• 1.5 多工况下的中心螺管馈线系统结构优化设计方法和动力分析技术
• 1.5.1 中心螺管馈线系统的复合工况条件
• 1.5.2 CS馈线系统的优化设计方法
• 1.5.3 CS馈线系统的动力分析技术
• 1.5.4 CS馈线系统的动力实验验证方法
• 1.6 本研究的课题来源、目标和内容
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 项目的背景、意义
• 1.6.3 课题研究目标
• 1.6.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 ITER中心螺管馈线系统的结构和设计准则
• 2.1 ITER的科学目标
• 2.2 ITER装置的主要结构和组成
• 2.3 ITER馈线系统作用和布置
• 2.3.1 馈线系统的作用
• 2.3.2 磁体馈线系统的分类和布置
• 2.4 中心螺管CS磁体线圈的馈线系统结构
• 2.4.1 总体设计
• 2.4.2 内部馈线In-cryostat Feedthrough
• 2.4.3 过渡馈线（Cryostar Feedthrough）
• 2.4.4 线圈终端盒CTB和干盒Dry Box
• 2.4.5 诊断线缆控制室Cubical
• 2.5 中心螺管CS馈线系统的设计准则和流程
• 2.5.1 CS馈线系统设计依据的准则
• 2.5.2 结构优化设计和分析的流程
• 2.6 本章小结
• 第三章 ITER中心螺管馈线系统的结构设计与优化
• 3.1 馈线系统结构材料的选择
• 3.1.1 结构金属材料的选择
• 3.1.2 超导Busbar材料的选择
• 3.1.3 复合材料的选择
• 3.2 CS馈线系统的结构设计
• 3.2.1 CS馈线系统的容器本体的设计
• 3.2.2 矩形板的小挠度弯曲理论
• 3.2.3 设置加强筋的容器结构设计
• 3.3 结构模型的力学数值分析和优化
• 3.3.1 模型强度的有限元单元选择和材料参数
• 3.3.2 模型强度的有限元分析与优化
• 3.4 本章小结
• 第四章 ITER中心螺管馈线系统直线段管稳定性分析
• 4.1 引言
• 4.2 薄壳结构的线性稳定性方程
• 4.2.1 薄壳的平衡方程
• 4.2.2 薄壳的几何方程
• 4.2.3 薄壳的物理方程
• 4.3 结构稳定性判定准则
• 4.4 结构稳定性判据和屈曲载荷计算
• 4.4.1 有限元法的稳定性判据
• 4.4.2 屈曲点的计算
• 4.5 结构稳定性的有限元分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 ITER中心螺管馈线系统的地震谱响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 结构模态分析
• 5.2.1 结构振动特征值的分析理论
• 5.2.2 CS馈线系统结构的ANSYS模态分析
• 5.3 基于反应谱的振型分解分析法
• 5.3.1 振型分解理论
• 5.3.2 结构的地震反应谱理论
• 5.3.3 法国卡达拉奇（Cadaraehe）加速度反应谱
• 5.3.4 CS馈线系统中相应结构的谱响应分析
• 5.3.5 CS馈线系统中谱响应分析结果的比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 ITER中心螺管磁体馈线系统的地震时程分析
• 6.1 前言
• 6.2 地震波的选择
• 6.3 结构的地震时程分析
• 6.3.1 时程分析的理论计算依据
• 6.3.2 时程分析结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 ITER中心螺管馈线系统超导母线的地震实验与数值分析
• 7.1 引言
• 7.2 地震模拟振动台
• 7.3 超导母线Busbar实验模型的设计、制作和准备
• 7.3.1 相似性原理
• 7.3.2 实验模型的相似比
• 7.3.3 实验模型的制作和安装
• 7.3.4 模拟地震实验的地震波选择
• 7.3.5 模拟地震实验的方案设计
• 7.4 超导母线Busbar地震动实验数据的整理与分析
• 7.4.1 动力参数的整理与分析
• 7.4.2 相似模型地震动实验响应数据的整理与分析
• 7.4.3 相似模型地震动纵向实验响应数据的整理与分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 研究总结
• 8.2 论文主要创新点
• 8.3 今后工作展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ 磁体馈线设计分析协议内容
• 附录Ⅱ 磁体馈线设计制造—中国采购包部分
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 攻读博士学位期间发表的学术论文