CFETR真空室预研件的结构分析与优化研究

【摘要】：中国聚变工程实验堆(CFETR)是一个全超导托卡马克装置,为国际热核聚变实验堆(ITER)与聚变示范电站(DEMO)之间搭建技术桥梁。真空室(VV)作为维持托卡马克稳定运行的核心部件,其结构性能对装置的安全运行有着直接的影响。重力支撑部件是承载真空室及其内部部件重力和各种机械载荷的关键部件。中国聚变工程实验堆真空室预研件(CFETR VV mock-up)的建造即为了研究真空室的加工制造,力学分析等关键问题。开展CFETR真空室预研件重力支撑结构设计和真空室所处工况的分析评估,并利用Isight软件进行重力支撑弹性板的结构优化,主要工作内容如下:1.通过对核聚变发展和托卡马克装置的调研,介绍可控核聚变的背景及发展。随后介绍真空室部件在聚变反应中的功能并综述了全国各大托卡马克装置的发展现状,指出论文的研究内容和意义。2.比较不同设计方案的优劣之后,确定CFETR真空室预研件重力支撑的结构设计方案。利用CATIA三维软件创建真空室及其重力支撑详细结构模型和简化模型,选用316L(N)作为真空室的材料并分析其材料特性。3.对真空室展开仿真分析,包括单工况分析和组合工况分析,得到各工况下真空室整体及其重力支撑的位移和应力分布情况。经过应力评定,真空室及其重力支撑部件的设计符合设计标准。载荷最大的组合工况为BK+SL-2工况,将该工况作为后续重力支撑结构优化的环境工况。4.对重力支撑弹性板进行多目标优化设计,灵敏度分析显示质量的最大正效应设计参数是弹性板的高度,板间的间隙同样影响整体重量最大,数量则和弹性板的厚度最相关,从1000个样本点中获得CFETR真空室重力支撑预研件最优的设计结构参数。与初始设计结构方案对比,优化后的设计方案不改变真空室整体的结构性能,但质量降低了 37%,表明此优化具有较好的效果。优化后重力支撑弹性板的高度为1180mm,厚度为40mm,板间间隙为70mm,数量为13块,均布于上下档板之间。本文研究设计的真空室重力支撑结构满足使用要求,结构简单,可承担真空室运行下的各种工况载荷。本文的设计结构与研究方法为CFETR后续的研发奠定了数据基础,也同样适用于托卡马克其他支撑部件,为同类支撑部件提供一定的借鉴。