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ITER论文:ITER极向场磁体馈线系统的分析与优化【中文摘要】国际热核聚变实验堆ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)是目前正在研究的一项大型国际间的合作项目,其目标是为了研制一个可自持燃烧的托卡马克实验装置,用以证明热核聚变反应堆的技术科学性、工程可行性和运行可靠性。ITER极向场磁体馈线系统的作用是为托卡马克装置的极向场超导磁体系统进行供电、供冷及数据传输、测量和故障诊断,它的研制涉及到电磁学、静力学、传热学、动力学、真空和材料学等多个学科的知识。本课题是来源于:1.国家重点基础研究发展规划973项目”ITER高温超导超大电流引线型超导传输线的研究(2008CB717900)”课题资助;2.国家重点基础研究发展规划973项目ITER超导馈线系统的设计与预研(2007ID206)”课题资助;3. ITER计划专项支持”ITER大型超导磁体系统馈线研究(2008GB 102000)”。课题研究的重点是:从整体装置的安全可靠性方面考虑,在极向场磁体馈线系统加工制造前,对其进行仿真分析,以确定馈线系统受到的电磁力、结构应力等载荷,为结构的设计提供依据。本课题论文的研究内容和创新点如下:首先,论文在介绍核聚变原理、ITER装置组成部分和馈线系统的结构的基础上,对PF馈线系统进行了电磁场仿真分析,获得了电磁力分布结果,以此为根据,分别利用理论计算和ANSYS迭代优化获得了最佳的超导母线支撑间距;其次,建立PF馈线系统的整体分析模型,对PF馈线系统进行了耦合强度仿真分析,参考ASME标准对结构在重力、温度、电磁力和磁体位移等载荷下的应力进行评价,并根据结果对结构进行优化和分析,得到了合理的馈线系统结构;再次,为了验证冷却方案的合理性,对PF馈线系统的冷却过程进行了仿真分析,并根据冷却达到稳定状态时的温度分布对PF馈线系统进行了热应力分析;最后,按照ITER工程的设计要求,对PF馈线系统进行了模态分析和地震谱响应分析,得到了结构的各阶固有频率和振型,以及施加不同方向的SDD地震响应谱时馈线结构上的最大应力和最大位移,验证了馈线结构在地震载荷作用下的安全性。图表参【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 international 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 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 Development 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 reliability 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 are 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 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 stress 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 evaluation. 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 natural 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 PF magnet feeders under the seismic load.Figure 57 table 22 reference 42【关键词】ITER 极向场磁体馈线 结构优化 有限元分析【英文关键词】ITER Poloidal field magnet feeder Structure Design FEA analysis【目录】ITER极向场磁体馈线系统的分析与优化摘要5-6Abstract6-7插图清单14-16表格清单16-17引言17-181 绪论18-291.1 磁约束核聚变的研究18-201.1.1 磁约束核聚变研究的历史18-191.1.2 磁约束核聚变的原理19-201.2 托卡马克装置的原理和ITER20-231.2.1 托卡马克装置的原理20-211.2.2 ITER装置的主要组成部分21-221.2.3 ITER馈线系统的分类22-231.3 极向场PF磁体线圈馈线系统的结构23-271.3.1 总体介绍23-241.3.2 内部馈线24-251.3.3 过渡馈线251.3.4 S弯盒25-261.3.5 线圈终端盒26-271.3.6 干盒271.4 本研究课题的来源、主要研究内容及意义27-291.4.1 课题来源271.4.2 课题研究的主要内容27-281.4.3 课题研究的意义28-292 ITER极向场磁体馈线系统电磁场仿真分析29-392.1 有限元分析软件介绍292.2 静态磁场计算原理29-312.3 ITER极向场磁体馈线系统电磁场仿真分析31-342.3.1 ITER极向场馈线系统电磁模型及电流载荷31-332.3.2 静磁场分析结果33-342.4 超导母线支撑间距的优化34-382.4.1 支撑间距的理论计算34-352.4.2 ANSYS迭代优化计算35-382.5 本章小结38-393 ITER极向场磁体馈线系统耦合强度仿真分析39-633.1 强度理论及强度极限准则39-433.1.1 强度分析计算理论39-423.1.2 强度极限准则42-433.2 ITER极向场磁体馈线系统耦合强度分析43-573.2.1 使用单元简介43-463.2.2 材料的选取46-483.2.3 载荷工况48-493.2.4 强度分析结果49-553.2.5 应力评价55-573.3 结构优化与分析57-613.3.1 位移补偿机构的选择57-583.3.2 优化方案的实施58-603.3.3 最佳方案的选取60-613.4 本章小结61-634 ITER极向场磁体馈线系统温度场仿真分析63-734.1 传热基本原理63-664.2 冷却过程仿真分析66-714.2.1 有限元模型的建立66-674.2.2 材料参数及边界

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