工程力学与机械设计论文提纲

论文题目：CFETR中心螺线管超导模型线圈设计及装配集成技术研究

摘要：中国聚变工程试验堆（CFETR）是在中国已经具有多个托卡马克设计、建造、运行的经验和吸收消化ITER技术的基础上,设计和建造一个聚变工程实验堆,为建造聚变示范堆乃至最终实现商用的核聚变反应堆奠定技术基础。中心螺线管（CS）线圈是托卡马克装置的重要部件之一,其主要作用是诱导产生等离子电流以及和PF线圈共同起到等离子体的成形。CFETR的中心螺线管线圈的最高场设计目标值为12T,运行电流约47.65kA,所以必须采用Nb3Sn超导导体。目前我国在以Nb3Sn为超导导体的大型超导磁体的研制方面经验非常匮乏,这对我们聚变工程实验堆（CFETR）的建造非常不利。设计并且制造以Nb3Sn为超导导体的CFETR中心螺线管（CS）模型线圈,对摸索大型超导磁体的工程设计,掌握大型磁体制造工艺及线圈绕制方法都具有十分重大的意义。本文运用了机械设计、计算机辅助工程、力学、优化设计、有限元仿真等多种科学理论进行了 CS模型线圈的工程结构设计、优化设计、有限元分析。基于电磁学、传热学及机械结构优化设计等理论,在国内首次开展以Nb3Sn材料为超导导体的大尺寸中心螺线管（CS）模型线圈的设计工作,为最终的CS模型线圈的制造提供合理的结构形式。根据CFETRCS模型线圈的物理设计目标及电磁设计结果,进行了线圈绕组的详细结构设计。为了实现CS模型线圈的设计目标,同时降低线圈的制造成本,线圈被设计成混合磁体线圈,内侧高场区采用Nb3Sn导体,外侧低场区采用NbTi导体。CS模型线圈共有5饼线圈,分别是Nb3Sn内线圈和外线圈;NbTi上线圈,NbTi中线圈和NbTi下线圈。同时对线圈出线头、跨接引线、接头的分布分别进行了详细的设计,设计了 6个线圈间的接头,4个电流进出口接头,共计10个接头。基于ANSYS的优化设计模块对预紧机构的预紧杆进行了优化设计,得到最优的预紧杆尺寸为M140mm。建立了基于ANSYS超导磁体复杂三维模型多物理场耦合的分析方法,并采用这种方法分别对CS模型线圈的预紧机构部件,出线头部件、跨接引线部件、出线头加强板部件、引线及接头支撑等部件进行了三种工况下的应力分析及强度评估,验证了所有的设计结构均满足设计要求。并且进行了 CS模型线圈的冷却He管的布置及其支撑的设计。制定了详细的CS模型线圈装配集成方案,并且针对关键技术难点给出了解决方案。解决了 CS模型线圈测试大厅吊装能力不足的问题,解决了小间隙定位套装及装配过程中接头对接的问题,以及解决了狭小空间加载超大预紧力等一些难点问题。

关键词：CFETR;CS模型线圈;结构设计;优化设计;应力分析;装配集成

学科专业：核能科学与工程

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 聚变能的发展

1.2 托卡马克研究现状

1.3 中国聚变工程试验堆(CFETR)

1.4 国内外中心螺线管(CS)超导磁体线圈的研究现状

1.5 本文的研究意义及章节分布

第2章 CS模型线圈绕组及接头分布设计

2.1 引言

2.2 CS模型线圈设计目标及设计要求

2.2.1 CFETR CS模型线圈的设计要求[46]

2.2.2 CS模型线圈的运行试验及运行电流波形

2.2.3 CS模型线圈及其结构设计应考虑的载荷条件

2.3 CS模型线圈绕组设计

2.3.1 导体设计

2.3.2 绕组设计

2.3.3 线圈磁场分析计算

2.3.4 线圈详细设计

2.4 CS模型线圈引线接头分布设计

2.4.1 CS模型线圈接头位置设计准则

2.4.2 CS模型线圈接头分布设计

2.5 CS模型线圈绝缘设计

2.5.1 CS模型线圈电气性能指标

2.5.2 CS模型线圈绝缘设计

2.6 本章小结

第3章 CS模型线圈预紧机构优化设计及力学强度分析

3.1 引言

3.2 CS模型线圈预紧机构设计

3.2.1 预紧机构的设计目的

3.2.2 预紧机构设计

3.3 预紧机构优化设计

3.3.1 优化设计有限元模型

3.3.2 CS模型线圈所用材料属性及力学性能

3.3.3 预紧机构载荷工况

3.3.4 线圈的电磁载荷计算

3.3.5 基于ANSYS的优化设计和计算

3.4 预紧机构力学强度分析

3.4.1 应力强度评定准则

3.4.2 机构机械应力分析

3.5 预紧力计算分析

3.7 本章小结

第4章 线圈接头引线及引线支撑设计及强度分析

4.1 引言

4.2 线圈出线头引线及支撑的设计及优化流程

4.2.1 线圈出线头引线及支撑设计的目的

4.2.2 线圈出线头引线及支撑的设计及优化设计流程

4.3 线圈出线头引线及支撑设计及强度校核

4.3.1 CUI_1引线及支撑设计

4.3.2 SIB_2跨接引线及支撑设计

4.3.3 ST_3连接引线及支撑设计

4.3.4 TUM_4引线及支撑设计

4.3.5 TMB_5引线及支撑设计

4.3.6 CUO_6连接引线及支撑设计

4.4 本章小结

第5章 线圈冷却管路及其支撑的设计

5.1 引言

5.2 线圈冷却管路布置及其支撑的设计

5.2.1 CS模型线圈冷却回路分布设计

5.2.2 CS模型线圈冷却回路及支撑详细设计

5.3 小结

第6章 线圈的装配与集成

6.1 引言

6.2 线圈装配与集成技术方案

6.2.1 CS模型线圈装配集成需要的工装

6.2.2 CS模型线圈的装配集成详细技术方案

6.3 小结

第7章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 本文的创新点

7.3 下一步工作展望

参考文献

致谢