CFETR集成设计平台空间分析模块的开发

摘要

作为未来最有前景的能源，聚变能的研究与商业化对解决中国面临的能源问题意义重大。作为中国聚变能发展计划中的重要环节，中国聚变工程实验堆(CFETR)的目标是填补聚变实验堆ITER和示范反应堆DEMO之间的空白。CFETR集成设计平台的搭建，可以支持CFETR的设计工作与高效协同的展开。
　　在CFETR的工程设计中，空间分析是不可缺少的分析环节:在部件的模型设计中，需要考虑相邻部件的空间关系;当部件处于不同工况下，受物理载荷作用产生的形变，对部件间空间关系的影响也需要考虑。为了提供对刚体模型、形变后有限元模型的空间分析功能，需要在设计平台中开发搭建空间分析模块。
　　空间分析模块基于CFETR集成设计平台上的工程设计框架环境搭建，通过开发与其他工程设计模块的接口以及CATIA、EnSight等软件的数据处理脚本，能够在空间分析模块中高效的实现空间分析工作流程。模块对刚体模型和有限元模型采取不同处理策略:对刚体模型，进行装配处理后利用CATIA空间分析模块进行计算;对形变后有限元模型，提取形变、加载到节点后，通过提取几何表面、几何表面三角化，用三角形重建模型，重构后三角片模型可用于CATIA中的空间分析。由于有限元模型的复杂性，其重构后三角片模型的空间分析存在困难。针对三角片模型的特殊性，开发了快速碰撞检测程序，通过引入包围盒、AABB树、三角形相交计算等算法，实现对大规模三角片网格的快速碰撞计算，并以几何模型形式给出可视化的计算结果。
　　通过真空室与冷屏的分析示例，展示了空间分析模块的功能与工程设计中的应用，其结果证明了空间分析模块的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 能源危机与新能源

1．2 聚变能研究的进展

1．3 CFETR集成设计平台

1．3．1 CFETR装置简介

1．3．2 CFETR集成设计平台

1．4 本论文研究意义与预期目标

第2章 CFETR空间分析模块开发方案

2．1 空间分析模块流程

2．2 模块接口设计

2．3 空间分析策略

2．3．1 刚体模型的处理策略

2．3．2 形变后有限元模型的处理策略

2．4 CATIA中的空间分析模块

2．5 有限元模型的快速碰撞检测

第3章 ANSYS有限元结果的后处理

3．1 有限元分析与形变结果

3．2 基于三角面的后处理

3．3 基于EnSight的自动化

第4章 基于CATIA的部件装配

4．1 CFETR部件特殊性

4．2 部件装配流程

4．3 分段模型处理

4．4 部件装配实例

第5章 有限元模型的快速碰撞检测算法

5．1 碰撞检测算法

5．2 AABB包围盒

5．2．1 AABB包围盒构造

5．2．3 AABB包围盒相交计算

5．3 层次包围盒与AABB树

5．3．1 AABB树与相交测试

5．3．2 AABB树的构建

5．3．3 AABB树的构建优化

5．4 三角形的相交检测

5．4．1 矢量判别型Devillers算法

5．4．2 标量判别型的M?ller算法

5．4．3 算法比较

5．5 并行优化

5．6 算法测试

5．5．1 算法性能测试

5．6．2 与CATIA分析结果的对比

第6章 空间分析模块的应用示例

6．1 真空室、冷屏的参数化模型

6．2 烘烤工况下的有限元分析

6．2．1 工况与边界条件

6．2．2 有限元分析

6．2．3 有限元形变结果

6．3 形变前模型的空间分析

6．4 形变后有限元结果的空间分析

6．5 基于空间分析的迭代优化

第7章 总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 工作的创新点

7．3 未来工作的展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果