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文檔簡介
1、ITER論文:ITER極向場磁體饋線系統(tǒng)的分析與優(yōu)化【中文摘要】國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)是目前正在研究的一項(xiàng)大型國際間的合作項(xiàng)目,其目標(biāo)是為了研制一個(gè)可自持燃燒的托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置,用以證明熱核聚變反應(yīng)堆的技術(shù)科學(xué)性、工程可行性和運(yùn)行可靠性。ITER極向場磁體饋線系統(tǒng)的作用是為托卡馬克裝置的極向場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)進(jìn)行供電、供冷及數(shù)據(jù)傳輸、測量和故障診斷,它的研制涉及到電磁學(xué)、靜力學(xué)、傳熱學(xué)、動(dòng)力學(xué)、真空和材料學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識。本課題是來源于:1.國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃973項(xiàng)目”ITER高溫超
2、導(dǎo)超大電流引線型超導(dǎo)傳輸線的研究(2008CB717900)”課題資助;2.國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃973項(xiàng)目ITER超導(dǎo)饋線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與預(yù)研(2007ID206)”課題資助;3. ITER計(jì)劃專項(xiàng)支持”ITER大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)饋線研究(2008GB 102000)”。課題研究的重點(diǎn)是:從整體裝置的安全可靠性方面考慮,在極向場磁體饋線系統(tǒng)加工制造前,對其進(jìn)行仿真分析,以確定饋線系統(tǒng)受到的電磁力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等載荷,為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本課題論文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:首先,論文在介紹核聚變原理、ITER裝置組成部分和饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對PF饋線系統(tǒng)進(jìn)行了電磁場仿真分析,獲得了電磁力分布結(jié)果
3、,以此為根據(jù),分別利用理論計(jì)算和ANSYS迭代優(yōu)化獲得了最佳的超導(dǎo)母線支撐間距;其次,建立PF饋線系統(tǒng)的整體分析模型,對PF饋線系統(tǒng)進(jìn)行了耦合強(qiáng)度仿真分析,參考ASME標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)在重力、溫度、電磁力和磁體位移等載荷下的應(yīng)力進(jìn)行評價(jià),并根據(jù)結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和分析,得到了合理的饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu);再次,為了驗(yàn)證冷卻方案的合理性,對PF饋線系統(tǒng)的冷卻過程進(jìn)行了仿真分析,并根據(jù)冷卻達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度分布對PF饋線系統(tǒng)進(jìn)行了熱應(yīng)力分析;最后,按照ITER工程的設(shè)計(jì)要求,對PF饋線系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析和地震譜響應(yīng)分析,得到了結(jié)構(gòu)的各階固有頻率和振型,以及施加不同方向的SDD地震響應(yīng)譜時(shí)饋線結(jié)構(gòu)上的最大應(yīng)力和最
4、大位移,驗(yàn)證了饋線結(jié)構(gòu)在地震載荷作用下的安全性。圖表參【英文摘要】International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), whose purpose is to demonstrate the technological exactitude, engineering feasibility, operating security of thermonuclear fusion reactor for peaceful and safe purpose as an energy source, is a large-scale inte
5、rnational cooperation project which is ongoing study. ITER PF (Poloidal Field) magnet feeders are used to convey the cryogenic supply and electrical power to the superconducting coils as well as house the instrumentation wiring, whose designing work involves electromagnetism, mechanics,heat-transfer
6、 theory, dynamics, vacuum and materials and so on.The subject is supported by the Major State Basic Research Development Program of China (973)-”research of ITER high temperature superconducting ultra high current lead type superconducting transmission Line”, the Major State Basic Research Developme
7、nt Program of China (973)-The design and preliminary research about superconducting feeder system of ITER”, ITER Plan Special Support-”thie research of feeder in ITER large scale superconducting magnet system”.The subject research focus are shown as follows:Taking into account the security and relia
8、bility of the device, take simulation analysis for PF (Poloidal Field) magnet feeders before the PF feeders are manufactured, in order to get the electromagnetic force and structural stress in the structure and provide basis for structural design.Main research work and creative points of the paper a
9、re shown as follows:First, based on the introduction for fusion principle, component part of ITER device and the structure feeder system, the results of electromagnetic force distribution are obtained through the electromagnetic field simulation analysis for the PF magnet feeders. As foundation, the
10、 best spacing for the busbar support is obtained through the theoretical calculation and the iterative optimization by ANSYS. Second, overall analysis model of the PF magnet feeders are established, the coupling strength simulation analysis is performed for the PF magnet feeders. The structural stre
11、ss of the PF magnet feeders in gravity loads, temperature load electromagnetic loads and magnets displacement loads are evaluated reference to ASME specifications. Reasonable feeder system structures are obtained through the optimization and analysis for the original structure based on the evaluatio
12、n. Once again, for validation the rationality of the cooling schemes, the cooling process simulation analysis is calculated for the PF magnet feeders. Based on the temperature distribution at the stable state, the thermal stress analysis is calculated for the PF magnet feeders. and finally, the natu
13、ral frequencies and mode shapes, the peak stress and defonnation by applying different direction SDD seismic response spectrum are obtained through the dynamical analysis for the PF magnet feeders, including model analysis and response spectrum analysis, which verifier the safety performance of the
14、PF magnet feeders under the seismic load.Figure 57 table 22 reference 42【關(guān)鍵詞】ITER 極向場磁體饋線 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 有限元分析【英文關(guān)鍵詞】ITER Poloidal field magnet feeder Structure Design FEA analysis【目錄】ITER極向場磁體饋線系統(tǒng)的分析與優(yōu)化 摘要 5-6 Abstract 6-7 插圖清單 14-16 表格清單 16-17 引言 17-18 1 緒論 18-29 1.1 磁約束核聚變的研究 18-20 磁約束核聚變研究的歷史 18-19 磁約束核聚變
15、的原理 19-20 1.2 托卡馬克裝置的原理和ITER 20-23 托卡馬克裝置的原理 20-21 ITER裝置的主要組成部分 21-22 ITER饋線系統(tǒng)的分類 22-23 1.3 極向場PF磁體線圈饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 23-27 總體介紹 23-24 內(nèi)部饋線 24-25 過渡饋線 25 S彎盒 25-26 線圈終端盒 26-27 干盒 27 1.4 本研究課題的來源、主要研究內(nèi)容及意義 27-29 課題來源 27 課題研究的主要內(nèi)容 27-28 課題研究的意義 28-29 2 ITER極向場磁體饋線系統(tǒng)電磁場仿真分析 29-39 2.1 有限元分析軟件介紹 29 2.2 靜態(tài)磁場計(jì)算原理
16、29-31 2.3 ITER極向場磁體饋線系統(tǒng)電磁場仿真分析 31-34 ITER極向場饋線系統(tǒng)電磁模型及電流載荷 31-33 靜磁場分析結(jié)果 33-34 2.4 超導(dǎo)母線支撐間距的優(yōu)化 34-38 支撐間距的理論計(jì)算 34-35 2.4.2 ANSYS迭代優(yōu)化計(jì)算 35-38 2.5 本章小結(jié) 38-39 3 ITER極向場磁體饋線系統(tǒng)耦合強(qiáng)度仿真分析 39-63 3.1 強(qiáng)度理論及強(qiáng)度極限準(zhǔn)則 39-43 強(qiáng)度分析計(jì)算理論 39-42 強(qiáng)度極限準(zhǔn)則 42-43 3.2 ITER極向場磁體饋線系統(tǒng)耦合強(qiáng)度分析 43-57 使用單元簡介 43-46 材料的選取 46-48 載荷工況 48-49 強(qiáng)度分析結(jié)果 49-55 應(yīng)力評價(jià) 55-57 3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析 57-61 位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的選擇 57-58 優(yōu)化方案的實(shí)施 58-60 最佳方案的選取 60-61 3.4 本章小結(jié) 61-63 4 ITER極向場磁體饋線系統(tǒng)溫度場仿真分析 63-73 4.1 傳熱基本原理 63-66 4.2 冷卻過程仿真分析 66-71 有限元模型的建立 66-67 材料參數(shù)及邊界條件 67-69 溫度場分析結(jié)果 69-71 4.3 熱應(yīng)
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