中国散裂中子源靶站氦容器结构模拟与优化研究

摘要

中国散裂中子源是国家自主建设的第一台散裂中子源，氦容器是散裂中子源靶站中的主要机械支撑结构，其内部安装了靶体、慢化器、反射体和屏蔽体等组件。为了保证中子散射测量的准确性，对氦容器的应力和位移提出了非常苛刻的要求;而且氦容器结构特殊，在吊装和运输时也需要进行特殊考虑。本文对氦容器整体结构进行了有限元分析，针对一些局部结构进行了优化研究，同时设计了相应的吊装和运输工具并对氦容器的吊装和运输结构进行了力学分析。
　　 (1)应用ANSYS和Workbench对氦容器的整体模型和四种局部模型进行了结构分析，并根据相关标准和技术要求对计算结果进行了校核，验证了氦容器机械结构的可靠性。
　　 (2)应用ANSYS和CFX对氦容器中的关键部件下部外反射体插件进行了纯静力和热-结构耦合分析，通过分析计算结果，指出了考虑温度载荷影响的必要性，验证了部外反射体插件机械结构的可靠性，但在冷却失效时间过长时下部外反射体插件仍有发生强度失效的风险。
　　 (3)应用ANSYS，对氦容器与裙座的三种连接方案进行了对比分析并选取最合适的连接方式，同时针对结构最危险的燕尾型定位支撑销钉进行了局部结构优化，使氦容器整体结构更加合理、可靠。
　　 (4)参照相关设计手册，确定了氦容器吊具和运输鞍座的放置位置，设计并校核了法兰式主吊耳和卡环式尾耳，以及运输鞍座上的拉带结构，同时，根据吊装和运输载荷，对氦容器进行了校核，保证了在吊装和运输时其自身结构的安全性。
　　 这些分析和研究结果为氦容器的机械结构设计提供了重要依据。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 散裂中子源的历史、现状和前沿发展情况

1．3 前人研究成果

1．4 课题研究的意义

1．5 主要研究内容

第二章 氦容器有限元结构分析

2．1 CSNS靶站氦容器设计条件

2．1．1 基本设计参数

2．1．2 有限元模型及载荷工况

2．1．3 有限元分析校核准则

2．2 氦容器整体模型M1

2．2．1 有限元模型

2．2．2 设计工况CASE1

2．2．3 维护工况CASE2

2．2．4 地震工况CASE3

2．3 下部外反射体插件(含中子束、质子束及靶体孔道)局部模型M2

2．3．1 有限元模型

2．3．2 设计工况CASE2

2．3．3 维护工况CASE3

2．4 束道水冷部(含中子束、质子束及靶体接管)局部模型M3

2．4．1 有限元模型

2．4．2 水压试验工况CASE1

2．5 上部筒体(含工艺接管)及上盖板局部模型M4

2．5．1 有限元模型

2．5．2 设计工况CASE1

2．5．3 维护工况CASE2

2．6 下部筒体及下封头(含排污管)局部模型M5

2．6．1 有限元模型

2．6．2 设计工况CASE1

2．6．3 维护工况CASE2

2．6．4 冷却水泄漏工况CASE3

2．7 本章小结

第三章 下部外反射体插件热-结构耦合分析

3．1 热-结构耦合分析简介

3．2 基本设计条件

3．2．1 几何模型及材料参数

3．2．2 载荷工况

3．3 有限元模型

3．3．1 应用ANSYS建立有限元模型

3．3．2 导入CFX温度场

3．3．3 载荷及边界条件

3．4 结果分析及评定

3．4．1 温度载荷对应力和位移的影响

3．4．2 应力和位移的评定

3．4．3 预测冷却失效时间过长可能出现的失效形式

3．5 本章小结

第四章 氦容器局部结构对比分析和优化研究

4．1 优化设计简介

4．2 三种裙座连接方案对比分析

4．2．1 三种裙座连接方案

4．2．2 对比分析结果

4．3 氦容器局部结构优化

4．3．1 原始模型计算结果

4．3．2 优化变量选取

4．3．3 局部优化模型

4．3．4 优化结果

4．3．5 优化结果验证

4．4 本章小结

第五章 氦容器的吊装结构力学分析

5．1 吊装结构及材料许用应力

5．2 基本吊装载荷计算

5．3 主吊耳校核

5．3．1 主吊耳板校核

5．3．2 主吊耳基板校核

5．3．3 主吊耳基板螺栓校核

5．4 尾耳校核

5．4．1 尾耳板校核

5．4．2 卡环校核

5．4．3 卡环上螺钉校核

5．4．4 尾耳板卡环端部螺栓校核

5．5 吊装工况中氦容器结构校核

5．5．1 氮容器上部筒体法兰校核

5．5．2 氦容器筒体校核校核

5．6 本章小结

第六章 氦容器的运输结构力学分析

6．1 运输结构及材料许用应力

6．2 基本运输载荷计算

6．2．1 静载时简体弯矩和鞍座支反力

6．2．2 惯性力引起的鞍座支反力

6．2．3 鞍座总支反力

6．3 鞍座拉紧带的设计与校核

6．3．1 拉带载荷计算

6．3．2 鞍座拉紧带校核

6．3．3 连接螺栓及焊缝校核

6．4 氦容器筒体校核

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 对后续研究的展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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