（机械电子工程专业论文）多工况下iter中子屏蔽块的结构分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g i t e rn e u t r o n s h i e l d i n gb l o c ks t r u c t u r ea n a l y s i su n d e r m u l t i p l ew o r k i n gc o n d i t i o n s c a n d i d a t e ：x u y a n g s u p e r v i s o r ：w a n gk a i s o n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs c h o o l a n h u i u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 1 6 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，p r c h i n a j i i i i lr l i i i i i i i i i i i i i l l l i i l l i i i i i l l l i i i i l l l j i i i i l j y 2 1 3 3 6 2 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得塞徵垄三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：锪塑日期：生年上月王日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽理工大学有保留、使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞筮理工大堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：徐尚 签字日期：2 汐f 嶂莎月j 日 导师签名：讶敖 签字日期：瓣乡月几 安徽理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 国际热核实验反应堆i t e r ( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a re x p e r i m e n t a lr e a c t o r ) 计划是项国际研究的合作项目，其目的是建造个大型超导托卡马克，从科学和技术的 角度展示和平利用聚变能的可能性。真空室是用来进行核反应的真空场所，中子屏蔽层 i w s ( i nw a l ls h i e l d i n g ) 位于真空室的内壳和外壳之间，其作用是屏蔽中子和降低环向 磁场波纹度。在研究的过程中将会涉圾到多门学科的知识，包括静力学、材割力学、材料 学、动力学、有限元理论等等。 本课题是来源于：国际合作项目“i t e r 装置真空室中子屏蔽层的设计与研究” ( f r a m e w o r kc o n t r a c ti t e r c t 0 9 6 0 0 0 0 0 0 0 0 3 ) 课题研究的重点是：为了保证i t e r 装置设计的安全性和可靠性，在中子屏蔽结构加工 制造前，对其进行多种工况下的仿真分析，以确保中子屏蔽结构在受到电磁力、地震载荷、 重力载荷等载荷的情况下可以正常工作，为结构设计提供依据。 本课题论文的硼究内容：首先，论文介绍了核聚变原理，以及从科学和技术的角度展 示和平利用聚变能的可能性；其次，介绍了i t e r 装置及其屏蔽层的组成。通过对屏蔽层进 行初步的结构设计，进而对组件的详细设计以及装配，获得了屏蔽块的组装模型。本文旨 在以个枥雒的屏蔽块模型为基础，对屏蔽块划彳j 燃工况下的瞬态熟扮澎声阳熟! 应力分析； 再次，开展屏蔽块结构强度的仿真分析，参考a s m e 标准，对屏蔽块在电磁i 力、重力和 垂直位移等载荷下的应力进行评价，提出运用q r 算法去除结构应力的二次应力，进而对 去除二次应力后的结果进行评定，为中子屏蔽块的优化设计提供参考依据；最后，按照i t e r 工程要求，对屏蔽块进行模态分析和地震谱响应分析，得到了屏蔽块的各阶固有频率和振 型，以及施加地震响应谱时屏蔽块上的最大位移和最大应力，从而验证屏蔽结构在地震载 荷作用下的安全性和可靠性。 关键词：i t e r ；屏蔽结构；结构设计；有限元分析 分类号：t h l l 3 安徽理工大学硕士学位论文 1 1 】ep l a no f 皿ro n t e m a t i o m lt h e r m o n u c l e a r 啪e n l a lr e m 饼) i sab l e n do f i m m m f i o n a l c o o p e r a t i o np r o j e c tw h i c hp u r p o s ei st ob u i l dah r g e 刚蹿n d 啦 a n dd i s p h y st h ep o s s i b i l i t i e so fp e a c e f u l l yu s eo ff u s i o ne n e r g yf r o mt h ea n g l eo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h ev a c i 卫肋c h a m b e ri s1 h ev a c i 且np l a c e w h e r et h en u c l e a rl e a 函o n sc a r r yo u t , t b e i 、鹏血w 姐s h i e l d i n g ) i sl o c a t e di nt h ev a c l r l mc h a m b e rb e 咖t h e i n n e ra t x l0 1 i i 嚣s h e t t s , i t s r o l ei st os h i e l dt h en e u t r o na n dr e d u c et h ew a v i n e s so f t o r o i d a lm a g l 碰cf i e l d i nl h ep r o c e s so f r e s o r b , i tw i l lb ei n v o l v em a n ys u b j e c t st h a ti n c l u d i n gs t a t i c s , m e c h a n i c so f 如础蛐m a t e r i a l s s c i e n c e , d y n a m i c s , f i n i t ed e m e n tt h e o r ya n ds oo n t h i st o p i co r i g i n a t e sf r o mt h ei n t e r n a t i o n a lc o o w r a t i o np r o j e c t ”r i e rt h ed e s i g na n dr e s e a r c h o f v a c u u mc h a m b e ro f n e t a m ns h i e l d ”( f r a m e w o r kc o n t r a c th e r c t 鹏l 6 0 0 1 0 ( ) 0 0 0 0 3 ) 1 1 抡r e s e a w & i sf o c u s e d0 1 1t h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h en e l l t r o ns h i d d i n gs m u m a ef o r m u l t i p l ew o r k i n gc o n d i t i o n sb e f o r em a n u f a c t t a i n g 位n e u t r o ns h i e l d i n gs t m 吐，w h i c hi si no r d e r t od l 如r et h es a f e t ya n dl h er e l i a 蛐o ft h ed e s i g n e dw h o l ed e v i c e ，a n dd i 跚帕t h en e u i i d n s h i e l d i n gs m l c t u mw o l 蛀, a gn o r m a l l yu n d e r l i a ed 饯灯聊n 碰啦l o i r e 9s e i s m i cl o a d , g r a v i t yl o a d a n d o l t a e r l o a d s , 缅即瑚i 1 1 9 此b a s i s 细d 商鲥n g 娥 1 1 】ec o n t g n t e so ft h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ：f a s t , t h ep r i n c i p l e so fn u c l e a rf u s i o n , a n d 恤 p o s s l b i l i t i e so f p e a c e f u lu 8 eo f f u s i o ne n e r g yf i o mt h ea n g l eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a v eb e e n a n dd i s p l a y e d ；s e c o n d , t h ec o n s t j l l r eo f t h e 皿己d c 舫c ea n ds h i e l d i n gl a y e rh a v e b e e nj i i 畋，d u 0 。d a h - o u g ht h ep d 舡岫s m a c t l n ed e s i g nf o rt h es h i e l d 鼬黜m 毗f u r t h e rt od e t a i ld e s i g na n d a s s e m b l yo fc o m p o n e n t s , a c q u i r e dt h es h i e l db l o c ka s s e m b l ym o d e l ，n l i sa r t i c l ei si n t e n d e dt o b a s e do nas t a n d a r ds h i e l db l o c km o d e l , t oa n a l y s et h e 岫t r a n s i e n tt h e r m a l 锄dt h e n m ls t r e s s o nt h es h i e l db l o c k ；t h i r d l y , c a l r y i l l go u tt h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h es t r u c t u r a ls t r e n g t ho ft h e s h i e l db l o c k , e v a l u a t i n gt h el o a ds t r e s so f t h es h i e l d i n gb l o c k si nt h ee l e c t m m a g n a i cf o r c e , g r a v i t y a n dv e r t i c a ld i s p 妇r a e n tw i f l ar e 受撇t ot h ea s n 正蚰m d m dp u tf o n v a r dt h eq r a l g o r i t h mt o 孤瞰) v et h e 咖l 曲a ls t r e s ss e c o n d a r ys t r e s s , a n dt h e na s s e s s e dt h er e s u l t sa f t e rt h er e m o v a lo f s e c o n d a r ys t r e s s , a n dp r o v i d e dai 硒1 c ef o rt h eq 正m i z 如d e s i g no ft h en e t l l r o ns h i d d i l l g b l o c k s ；f i n a l l y , a n a l y s et h em o d a la n ds e i s m i cs p e c 扛a lr e s p 衄a n a l y s i so fs h i e l db l o c ki n a c c o r d a n c ew i l ht h er e x t u l r e m e l a t so fl h er i e rp r o j e c t , i tt t m l e do u tt h en a t u r a lf i e q u e n c i e sa n d m o d es h a p e sa sw e l la st h em a x i m u md i s p h c e m e n ta n dm a x i m u ms t r e s s0 1 1t h es h i e l db l o c ks h i e l d i i b l o c kw h e nj n 】p o s 。db yt h e 翩i t l l q i 】a k c 陀印s r e c t m n , a n dt h e ne n s t r e dt h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo f t h es h i e l d i n g u n d e rs e i s m i cl o a d s k e y w o r d s ：i t e r ；s h i e l d i n g 蛐；d e s i g n ；f e aa n a l y s i s ； c h i n e s eb o o k sc a l l l 吣t h l1 3 i 安徽理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图清单。x 表格清单一x i i i 第一章绪论1 1 1 当今世界能源问题及其未来发展趋势1 1 2 热核聚变的研究及中国热核聚变事业现状4 1 2 1 可控热核聚变的研究和发展现状4 1 2 2 中国核聚变事业的发展现状5 1 3 磁约束聚变研究装置一托卡马克介绍和i t e r 介绍6 1 3 1 托卡马克介绍6 1 3 2i t e r 背景介绍和工程研究进程7 1 3 3 国际热核聚变实验堆研究的意义9 1 4 本课题的来源、研究的主要内容及意义1 0 1 4 1 课题来源10 1 4 2 课题研究的主要内容1 0 1 4 3 课题研究的意义1 0 第二章i t e r 中子屏蔽层的结构设计1 2 2 1 屏蔽层的初步设计1 2 2 1 1 屏蔽层的组成一1 2 2 1 2 屏蔽块的材料1 3 2 2 屏蔽块的详细设计1 4 2 2 1 螺栓一1 4 2 2 2 垫圈1 4 2 2 3 垫片1 5 目录 2 2 4 托架15 2 2 5 平面板17 2 2 6 支架的沟槽一l7 2 3 屏蔽块的装配18 2 4 本章小结。2 0 第三章：中子屏蔽块的烘烤与热分析2 1 3 1i t e r 真空室烘烤的必要性2 1 3 2 有限元分析软件介绍2 1 3 3 传热基本原理2 2 3 4 瞬态热分析2 4 3 4 1 材料参数及边界条件2 4 3 4 2 温度场分析结果2 6 3 5 热应力分析2 7 3 6 小结2 9 第四章i t e r 中子屏蔽块结构强度分析31 4 1 强度理论及强度极限准则31 4 1 1 强度分析计算理论3 1 4 2i t e r 中子屏蔽块简介3 4 4 2 1 使用单元和模型简介3 4 4 2 2 材料的选取4 0 4 3i t e r 中子屏蔽块强度分析4 0 4 3 1 载荷工况4 0 4 3 2 补偿力矩4 1 4 3 3 载荷4 3 4 3 4 边界条件。4 5 4 3 5 强度许用准则4 6 4 3 6 强度分析结果4 7 安徽理工大学硕士学位论文 4 3 7 应力评价5 1 4 4 利用q r 算法去除二次应力。5 3 4 4 1q r 算法的基本原理5 3 4 4 - 2 去除二次应力的理论基础5 3 4 4 3 二次应力的去除5 4 4 5 本章小结5 4 第五章中子屏蔽块动力学仿真分析5 6 5 1 模态分析基本原理5 6 5 2i t e r 中子屏蔽块模态分析5 8 5 3 谱分析原理介绍6 1 5 3 1 中子屏蔽块单点响应谱分析6 2 第六章总结与展望6 4 6 1 论文总结6 4 6 2 论文主要创新点6 5 6 3 工作展望6 6 参考文献6 7 致 射7 0 作者简介及读研期间主要科研成果7 1 目录 c o n t e n t s l i s to fi l l u s t r a t i o n s x 1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h ec u r r e n tw o r l d e n e r g yp r o b l e m sa n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d 1 1 2t h e r m o n u c l e a rf u s i o nr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o na n dc a u s eo fc h i n a 1 2 1c o n t r o l l e dt h e r m o n u c l e a rf u s i o nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t 4 1 2 2c h i n an u c l e a rf u s i o nd e v e l o p m e n t p r e s e n ts i t u a t i o n 5 1 3m a g n e t i cc o n f i n e m e n tf u s i o nr e s e a r c h i n t r o d u c t i o na n di t e rt o k a m a k d e v i c e 6 1 3 11 1 1 ei n t r o d u c t i o no f t o k a m a k 。6 1 3 2i t e rb a c k g r o u n da n de n g i n e e r i n gr e s e a r c hp r o g r e s s 7 1 3 3t h es i g n i f i c a n c eo f t h e r m o n u c l e a rf u s i o nr e s e a r c h 9 1 4t h es o u r c eo f t h es u b j e c t , t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d s i g n i f i c a n c e 1 0 1 4 1t h es o u r c eo f t h e p a p e r 1 0 1 4 2t h em a i nc o n t e n t so f t h e p a p e r 1 0 1 4 3t h es i g n i f i c a n c eo f t h ep a p e r 1 0 2t h es t r u c t u r ed e s i g no f l t e rn e u t r o ns h i e l d i n g 1 2 2 1t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fs h i e l d i n gl a y e r 1 2 2 1 1t h ec o m p o s i t i o no f s h i e l d i n gl a y e r 1 2 2 1 2t h em a t e r i a lo f s h i e l d i n gb l o c k 1 3 2 2t h ed e t a i l e dd e s i g no fs h i e l d i n gb l o c k 1 4 2 2 1b 0 1 t s 1 4 v i i 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 3s p a c e r s 15 2 2 4b r a c k e t s 1 5 2 2 5p l a t e s 17 2 2 6t h eg r o o v eo f b r a c k e t s 17 2 3t h ea s s e m b l yo fs h i e l d i n gb l o c k 18 2 4c h a p t e rs u m m a r y 2 0 3t h e b a k i n ga n dt h e r m a la n a l y s i so f n e u t r o ns h i e l d i n gb l o c k 2 1 3 1t h en e c e s s i t yo fl t e rv a c u u mb a k i n gc h a m b e r 2 1 3 2t h ei n t r o d u c t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 2 1 3 3t h eb a s i cp r i n c i p l eo f h e a tt r a n s f e r 2 2 3 4t r a n s i e n tt h e r m a la n a l y s i s 2 4 3 4 1t h em a t e r i a lp a r a m e t e r sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 2 4 3 4 23 4 2t h er e s u l t so f t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s 2 6 3 5t h e r m a ls t r e s sa n a l y s i s 2 7 3 6c h a p t e rs u m m a r y 2 9 4t h es t r u c t u r es t r e n g t ha n a l y s i so f l t e rn e u t r o ns h i e l d i n gb l o c k 3 1 4 1t h e o r yo fs t r e n g t ha n dc r i t e r i o no fs t r e n g t h 31 4 1 1t h et h e o r yo f s t r e n g t ha n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n 3 1 4 2t h ei n t r o d u c t i o no f l t e rn e u t r o ns h i e l d i n gb l o c k s 3 4 4 2 1t h ei n t r o d u c t i o no f m o d e la n de l e m e n t 3 4 4 2 2m a t e r i a ls e l e c t i o n 4 0 4 3t h es t r e n g t ha n a l y s i so f l t e rn e u t r o ns h i e l d i n gb l o c k 4 0 4 3 1l o a d i n gc o n d i t i o n s 4 0 4 3 2t o r q u ec o m p e n s a t i o n 4 1 4 3 3l o a d 4 ：； 4 3 4b o u n d a r yc o n d i t i o n 4 5 v i i i 目录 4 3 5s t r e n g t hp e r m i s s i b l es t a n d a r d s 4 6 4 3 6t h em s u l t so f s t r e n g t ha n a l y s i s 4 7 4 3 7s t r e s se v a l u a t i o n 51 4 4r e m o v a ls e c o n d a r ys t r e s sb yq ra l g o r i t h m 5 3 4 4 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo f q ra l g o r i t h m 一5 3 4 4 2t h et h e o r e t i c a lb a s i so f r e m o v a ls e c o n d a r ys t r e s s 5 3 4 4 3r e m o v a lt h es e c o n d a r ys t r e s s 5 4 4 5c h a p t e rs u m m a r y 5 4 5t h ed y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y so fn e u t r o ns h i e l d i n gb l o c k s 5 6 5 1b a s i cp r i n c i p l eo fm o d a la n a l y s i s 5 6 5 2t h em o d a la n a l y s i so f l t e rn e u t r o ns h i e l d i n gb l o c k 5 8 5 3t h ei n t r o d u c t i o no f t h ep r i n c i p l eo fs p e c t r u ma n a l y s i s 6 1 5 3 1t h es i n g l ep o i n tr e s p o n s es p e c t r u ma n a l y so f n e u t r o ns h i e l d i n g ”6 2 6c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 6 4 6 1c o n c l u s i o n so f t h ep a p e r 6 4 6 2t h ec r e a t i v ep o i n t so f t h ep a p e r 6 5 6 3p r o s p e c t 6 6 r e f - e r e n c e 6 7 c o m p l i m e n t 7 0 r e s u m eo f a u t h o r 7 1 安徽理工大学硕士学位论文 插图清单 图1 世界能源组成图一3 图2 氘一氚聚变反应4 图3 等离子体实现聚变的约束形式5 图4i t e r 主机运行大厅构造示意图9 图5i t e r 超导托克马卡结构示意图9 图6v v - i w s 块示意图1 2 图7 概念设计和详细设计1 3 图8 螺栓m 3 0 和m 2 0 三维图1 4 图9 垫圈的图形和位置1 5 图l o 垫片图形和位置1 5 图1 1 上托架图形1 6 图1 2 下托架图形16 图1 3 螺栓孔在平面板上的位置1 7 图1 4 板和托架之间的距离1 8 图1 5v v - i w s 块的典型设计1 9 图1 6w - i w s 块的预装配视图1 9 图1 7 预装配w 二i w s 块安装在极向肋板上2 0 图1 8 烘烤温度时间变化图2 5 图1 9 烘烤第1 2 天屏蔽块的温度分布( 单位：) 2 6 图2 0 烘烤第2 6 天屏蔽块的温度分布( 单位：) 2 6 目录 图2 1 烘烤第3 8 天屏蔽块的温度分布( 单位：) 2 7 图2 2 下托架热应力分析的位移和应力2 7 图2 3 上托架热应力分析的位移和应力2 8 图2 4 屏蔽板热应力分析的位移和应力2 8 图2 5 螺栓热应力分析的位移和应力2 9 图2 6 描述变形体的各类变量3l 图2 7 微元平行六面体的强度分析示意图3 2 图2 8 中子屏蔽块的三维模型和网格图3 5 图2 9s o l i d18 6 结构实体几何图3 5 图3 0t a r g e l7 0 几何图3 6 图31c o n t a17 4 几何图3 6 图3 2 上托架、下托架和支撑筋三维图形和网格图3 7 图3 3 屏蔽板三维图形和网格图3 8 图3 4 螺栓、螺母、垫圈、垫片三维图形和网格图3 8 图3 5 各个组件之间的接触示意图3 9 图3 6 力矩的扭矩中心。4 2 图3 7 加载在屏蔽板边缘的力。4 3 图3 8 装配程序。4 4 图3 9 施加m 3 0 螺栓预紧力产生的位移4 4 图4 0 模型的边界条件4 6 图4 1 下托架结构分析位移和应力强度分布云图4 7 安徽理工大学硕士学位论文 图4 2 屏蔽块上托架结构分析的位移和应力强度分布云图4 8 图4 3 屏蔽块屏蔽板结构分析的位移和应力强度分布云图4 8 图4 4 屏蔽块螺栓结构分析的位移和应力强度分布云图4 9 图4 5 屏蔽块下托架结构和热耦合分析的位移和应力强度分布云图4 9 图4 6 屏蔽块上托架结构和热耦合分析的位移和应力强度分布云图5 0 图4 7 屏蔽块屏蔽块结构和热耦合分析的位移和应力强度分布云图5 0 图4 8 屏蔽块螺栓结构和热耦合分析的位移和应力强度分布云图5 1 图4 9 定义线性化路径和线性化结果5 2 图5 0i t e r 中子屏蔽块模态分析模型5 9 图5 1i t e r 中子屏蔽块的前1 0 阶振型图6 1 图5 2x 方向响应的应力和位移6 3 目录 表格清单 表1 各种初级燃料的蕴藏量估计4 1 2 表2 主要一次能源优劣势对比3 表31 t e r 装置的主要参数】8 表4i t e r 屏蔽块组件材料1 4 表5 不锈钢316 l ( n ) i g 的力学性能参数2 4 表6 不锈钢s s 3 0 4b 7 的力学性能参数2 4 表7 不锈钢x m l 9 的力学性能参数2 5 表8 热分析的应力进行评定。2 9 表9 屏蔽块组件的单元类型和实常数3 7 表1 0 接触的主要特性3 9 表11 i t e r 组提供的载荷数据4 l 表1 2 通过有限元模型计算出来的补偿力矩4 2 表1 3 加载在屏蔽板边缘的力4 3 表1 4 屏蔽板电磁负荷4 5 表1 5 螺栓的电磁负荷4 5 表1 6 单个载荷一4 5 表1 7 屏蔽块结构分析应力评定5 l 表l 8 下托架最大应力和许用应力5 2 表1 9 屏蔽块结构和热耦合分析应力评定5 2 表2 0 加七步和加二步以及加七步减加二步的正应力和剪应力5 4 安徽理工大学硕士学位论文 表2 l 加七步减加二步后的主应力5 4 表2 2 中子屏蔽块1 0 阶固有频率和位移5 9 表2 3 法国c a d a r a c h e 地震加速度谱6 2 表2 4i t e r 极向场磁体馈线系统地震响应谱分析结果6 2 表2 5 应力极值评定6 3 第一章绪论 第一章绪论 无论是自然界的进化还是人类社会的演进，能源都起着极为关键的基础作用。 不论是远古的荒蛮时代还是当今飞速发展的信息时代，能源始终是物质世界发展的 基础，人类社会的发展必然离不开对新能源的合理开发以及对先进能源技术的使 用。当今社会处于全球化发展的大背景之下，经济、政治、文化各方面的发展都空 前繁荣，然而，发展给世界创造更多财富，改善人们生活的同时也带来了不少问题，