ITER极向场线圈磁体馈线系统超临界氦管的分析与优化

摘要

核聚变实验反应堆是核电的发展趋势，ITER(International ThermonuclearExperimental Reactor)是为了验证热核聚变反应堆在技术和工程上的可行性而正在研究的一项国际间大型合作项目。馈线是ITER装置的重要纽成部分，它向磁体系统传输电流、提供冷却液和传递信号。因此，馈线系统对超导磁体线圈能否正常运行起到决定性作用。本文的主要内容概括如下:
　　 (1)本文首先介绍了受控核聚变的国内外研究现状、托卡马克的工作原理、ITER计划以及ITER装置的主要结构。其次介绍了ITER的馈线系统和极向场磁体馈线的结构。ITER共有31套不同的磁体馈线，其中包括6个极向场磁体线圈(PF)馈线。
　　 (2)介绍了有限元分析的基本概念和步骤，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体。阐述有限元分析的基本力学方程:平衡方程、几何方程和物理方程。介绍了优化设计的基本理论和常用的分析软件ANSYS和HyperMesh，为超临界氦管的分析和优化提供了理论支持。
　　 (3)根据工程和物理要求，介绍了极向场磁体馈线系统的结构设计准则、应力评价准则以及材料选取准则。在文中对管路支撑、氦管和内部支撑的设计做了详尽说明。
　　 (4)用建模软件CATIA建立了氦管及其支撑的三维模型，运用HyperMesh软件对其进行了网格划分，将得到的有限元模型导入ANSYSWorkbench中，在氦管和支撑之间建立了摩擦接触。分析表明，氦管(1)和氦管3的应力均小于许用应力，满足使用要求，氦管2的最大应力超过了许用应力，因此需要改进氦管2的结构，对其进行优化设计，以满足使用要求。
　　 (5)在对氦管的结构优化中，选择氦管的厚度作为输入参数，氦管的最大应力作为输出参数，运用ANSYS Workbench(AWE)的实验设计法进行优化。优化后的结构满足使用要求。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 受控核聚变的研究

1．2．1 受控核聚变反应的等离子体条件

1．2．2 受控核聚变的实现途径

1．2．3 受控核聚变的研究进展

1．3 ITER计划

1．3．1 ITER工作原理

1．3．2 ITER装置的主要结构

1．4 ITER极向场磁体馈线系统

1．4．1 磁体馈线系统

1．4．2 极向场磁体馈线的结构

1．5 课题的来源、研究内容及意义

1．5．1 课题来源

1．5．2 本文研究的主要内容

1．5．3 本文研究的意义

第二章 有限元分析和优化的理论基础

2．1 有限元分析

2．1．1 有限元分析基础知识

2．1．2 有限元分析的基本步骤

2．2 有限元分析的理论基础

2．2．1 平衡方程

2．2．2 几何方程

2．2．3 物理方程

2．3 优化设计的基本理论

2．3．1 从传统设计到优化设计

2．3．2 优化设计三要素

2．3．3 优化设计的数学模型

2．4 有限元分析软件简介

2．4．1 HyperMesh软件

2．4．2 ANSYS软件

2．5 本章小结

第三章 氦管及其支撑结构的概念设计

3．1 极向场馈线的设计准则

3．1．1 绝热材料的设计准则

3．1．2 机械结构设计准则

3．1．3 低温环境下的材料选择准则

3．1．4 应力判据准则

3．2 材料选择

3．2．1 金属材料的选择

3．2．2 绝缘材料的选择

3．3 氦管的设计

3．3．1 补偿结构设计

3．3．2 氦管的布局设计

3．3．3 冷却液的选择

3．4 管路支撑设计

3．5 内部支撑

3．6 本章小结

第四章 氦管的结构分析

4．1 氦管三维模型的建立

4．2 有限元模型建立

4．2．1 单元选择

4．2．2 网格划分

4．3 有限元模型导入ANSYS中

4．4 建立接触

4．4．1 接触面和目标面的选择

4．4．2 接触刚度的选择

4．5 建立材料库

4．6 边界条件和载荷

4．6．1 边界条件

4．6．2 载荷条件

4．7 结果分析

4．7．1 停机状态

4．7．2 冷却状态

4．7．3 工作状态

4．8 应力评价

4．9 本章小结

第5章 氦管的结构优化

5．1 结构优化设计概述

5．1．1 拓扑优化

5．1．2 形状优化

5．1．3 尺寸优化

5．2 AWE优化设计的分析步骤

5．3 氦管的优化设计

5．3．1 输入参数

5．3．2 输出参数

5．3．3 参数优化

5．3．4 目标优化

5．4 结果验证

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文