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极端环境下辉光放电清洗电极的设计及优化

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第1章 绪论

1.1 辉光放电清洗系统概述

1.2 国内外研究现状

1.2.1 托卡马克装置研究现状

1.2.2 托卡马克装置抗震特性分析研究现状

1.2.3 托卡马克装置优化研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 辉光放电清洗电极方案设计

2.1 引言

2.2 辉光放电清洗电极负载要求与设计要求

2.2.1 辉光放电清洗电极负载要求

2.2.2 辉光放电清洗电极设计要求

2.3 辉光放电清洗电极设计标准

2.4 辉光放电清洗电极方案设计

2.4.1 电极体结构设计

2.4.2 屏蔽盒结构设计

2.4.3 真空穿透结构设计

2.5 本章小结

第3章 不同工况下辉光放电清洗电极静力分析

3.1 引言

3.2 有限单元法概述

3.3 刚强度准则

3.4 辉光放电清洗电极有限元建模

3.4.1 模型简化

3.4.2 材料选择

3.4.3 网格划分

3.4.4 边界条件

3.5 辉光放电清洗电极等效静力分析

3.5.1 载荷的确定

3.5.2 等效静力结果分析

3.6 辉光放电清洗电极关键零部件静力分析

3.6.1 等离子体运行期电极体结构的热应力结果分析

3.6.2 运行基准地震下屏蔽盒结构的等效静力结果分析

3.6.3 运行基准地震下真空穿透结构的等效静力结果分析

3.7 本章小结

第4章 辉光放电清洗电极抗震特性分析

4.1 引言

4.2 辉光放电清洗电极的模态分析

4.2.1 模态分析理论

4.2.2 模态分析步骤

4.2.3 模态分析结果

4.3 辉光放电清洗电极响应谱分析

4.3.1 响应谱分析理论

4.3.2 响应谱的选择

4.3.3 辉光放电清洗电极响应谱分析结果

4.4 辉光放电清洗电极抗震安全评定

4.5 本章小结

第5章 辉光放电清洗电极关键零部件优化设计

5.1 引言

5.2 尺寸优化设计理论依据

5.3 辉光放电清洗电极冷却流道优化设计

5.3.1 冷却流道厚度优化

5.3.2 冷却流道宽度优化

5.3.3 最外层壁面倒圆角优化

5.3.4 冷却流道管径优化

5.4 辉光放电清洗电极屏蔽盒和真空穿透结构优化设计

5.4.1 屏蔽盒结构优化设计

5.4.2 真空穿透结构优化设计

5.5 优化后的辉光放电清洗电极静力分析

5.5.1 冷却流道优化结果分析

5.5.2 屏蔽盒和真空穿透结构优化结果分析

5.6 优化后的辉光放电清洗电极动力学分析

5.6.1 优化后模态结果分析

5.6.2 优化后抗震特性分析

5.7 本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

攻读硕士学位期间参与科研项目情况

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摘要

作为托卡马克装置的核心部件,辉光放电清洗电极系统旨在清除因热核聚变而黏附在诊断第一壁表面的杂质粒子,为高约束性能等离子体提供清洁和低再循环的第一壁。因此,辉光放电清洗电极系统可能在等离子体期高温和地震等极端环境下工作。在设计和加工制造过程中需保证其在极端环境下的安全运行,避免过大的热应力破坏结构的稳定性和地震等极端自然灾害引起关键零部件的破裂等。本文以典型的辉光放电清洗电极系统为研究对象,对其在热应力和地震等极端环境下进行结构设计和优化。具体研究内容如下:  首先,根据辉光放电清洗电极系统的工作要求对其进行方案设计,在电极体结构内部设计冷却流道以降低热负载,在外部电极杆设计绝缘支撑法兰以防止应力集中,设计双层屏蔽盒结构防止辉光放电击穿,在真空穿透结构内部采用错开排列的方式以减小电极系统的轴向长度。  其次,对辉光放电清洗电极系统进行等效静力分析,结果表明辉光放电清洗电极系统可满足在重力和SL-2地震事件下安全运行的要求。进而,对辉光放电清洗电极系统中的电极体结构进行热流固耦合分析,结果表明电极体结构符合设计要求,但电极体最外层壁面温度的安全裕量较小。此外,对辉光放电清洗系统进行模态分析,结果表明辉光放电清洗电极对振动产生响应主要集中在屏蔽盒以及真空穿透结构,并且前七阶的固有频率在地震截止频率34Hz内。对辉光放电清洗电极进行单点响应谱分析,获得辉光放电清洗电极的地震响应,结果表明辉光放电清洗电极满足罕遇的SL-2地震事件下的设计要求。  最后,利用尺寸优化的方法对辉光放电清洗电极系统中的关键零部件进行优化设计。由于辉光放电电极体最外层壁面温度的安全裕量较小,辉光放电清洗电极的最高温度和平均温度与冷却流道第一区域的厚度、宽度、电极体最外壁倒圆角半径以及第二、三、四区域等参数相关,因而对其进行尺寸优化,优化后的冷却流道第一区域厚度、宽度、圆角半径和管道半径分别为14mm、17mm、9mm和18mm。之后对优化后的电极体进行热疲劳分析,发现冷却流道散热性能更好,电极体结构承受的热应力下降较大,并且在等离子体期高温下冷却流道可承受初始进口温度最高为170℃。此外,为了降低装配过程中机械手所受负载,对其进行轻量化设计,并对优化后的结构进行强度校核,结果表明优化后的屏蔽盒和真空穿透结构满足强度要求且整体质量下降了16.9%。

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