CFETR中心螺线管模型线圈结构分析与研究

摘要

CFETR全称China Fusion Engineering Test Reactor，中国聚变工程试验堆，2017年12月正式开始进入工程设计阶段，旨在测试和验证未来的聚变堆在工程和技术上的可行性。
　　中心螺线管线圈(CS)是CFETR装置的核心部件之一，工作中要求其具有12T的最高磁场，1.5T·s-1的最大磁场变化率。为了开发和验证中国大型Nb3Sn管内电缆导体(CICC)磁体的关键制造方法和相关技术，中国科学院等离子体物理研究所(ASIPP)正在设计和开发CFETR的中心螺线管模型线圈(CSMC)。本课题的意义在于通过开展CS模型线圈的电磁、热及结构力学性能研究，对CS模型线圈的工程设计进行评估和验证，并为将来中心螺线管线圈及其他线圈的设计和分析提供一定的数据支撑和参考。
　　本文首先通过研究CS模型线圈的详细结构，忽略对主体模型影响较小的部分，如线圈引线、线圈的缠绕方式、线圈的支撑等，利用CATIA软件建立模型。
　　其次根据CS模型线圈的实际工作情况，采用Maxwell对该模型进行电磁分析，使用Workbench对该模型进行力-热-电磁分析，同时对线圈引线进行力学分析，优化其支撑结构。
　　然后通过引入均匀化理论推导出等效弹性参数的求解方程。使用ANSYS建立导体绕组的单胞有限元模型，在给定的边界条件下，对绕组的等效材料力学性能进行分析预测，并建立简化模型进行力-热-电磁分析，对比应力分析结果，验证简化方法的正确性。
　　最后从动力学角度对CS模型线圈进行地震分析。先进行结构的模态分析，获得其固有频率、振型，并此基础上进行地震谱分析。之后对结构进行地震时间历程分析，对比验证地震分析的可靠性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 能源危机与解决方法

1．2 国内外托卡马克装置研究现状

1．2．1 国际托卡马克发展状况

1．2．2 国内托卡马克发展状况

1．3 国内外均匀化理论研究现状

1．4 本文的主要研究内容、意义及目标

第二章 CFETR中心螺线管模型线圈结构的静力分析

2．1．1 中心螺线管的组成

2．1．2 中心螺线管模型线圈的结构参数

2．1．3 中心螺线管模型线圈的材料及力学特性

2．2．1 实体模型建立

2．2．2 坐标系的规定

2．2．3 网格划分

2．3 CS模型线圈载荷及边界条件的加载

2．3．1 载荷加载

2．3．2 边界条件

2．4．1 电磁场有限元分析原理

2．4．2 电磁载荷分析

2．5 CS模型线圈结构的力-热-电磁分析

2．5．1 总体力学分析

2．5．2 线圈绕组分析

2．5．3 预紧机构及缓冲块分析

2．6 CS模型线圈引线分析

2．6．1 引线模型建立

2．6．2 引线电磁分析

2．6．3 引线受力分析

2．6．4 引线支撑优化

2．7 本章小结

第三章 CICC导体绕组等效材料性能研究

3．1．1 CICC导体绕组及单胞结构

3．1．2 均匀化理论

3．2．1 有限元模型建立

3．2．2 计算方法

3．2．3 加载方式及约束条件

3．2．4 计算结果与分析

3．3 简化模型的力学分析对比

3．4 本章小结

第四章 CFETR中心螺线管模型线圈结构的地震分析

4．1 地震分析方法

4．1．1 静力法

4．1．2 反应谱分析法

4．1．3 时间历程分析法

4．2 简化模型

4．3 CS模型线圈结构地震谱分析

4．3．1 模态分析

4．3．2 地震谱分析

4．4 CS模型线圈结构的时间历程分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 后续工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况