中微子实验中心探测器主体结构考虑流固耦合的抗震分析

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作为构成物质世界的基本单元之一,中微子极难探测,人们对其了解极少。为进一步推进对中微子的研究,完善人类对物质世界的认知,中国科学院高能物理研究所在大亚湾中微子实验的基础上提出了江门中微子实验方案。该实验采用内径为35m的有机玻璃球作为中微子探测器,外部以肋环形球面网壳支撑,探测器主体放置于埋深约700m的地下水池中。该项复杂工程具有重大科研意义与价值,设计者必须保证其在地震作用下的可靠性。针对该工程抗震分析,本文首先提出了需要研究的三个主要问题,然后分别介绍了有关问题的研究现状,并在此基础上提出了本文的研究内容和思路。由于结构深埋地下,所在位置的地震动与地表有所不同。本文首先确定了地表地震动设计参数,基于波动理论得到场地基岩深部入射地震动参数,并根据该参数合成了人工地震波时程;随后采用场地地震波数值模拟的手段,建立场地局部区域地质模型,将基岩深部地震动正演至结构基底,得到了各超越概率水平下考虑局部场地地质条件的基底输入地震动时程。主体结构由不锈钢与有机玻璃两种材料组成,其阻尼的取值需反映两种不同材料的耗能作用。本文基于振型应变能法,提出利用最小二乘法和加权最小二乘法求解混合结构Rayleigh阻尼参数的方法,并以探测器结构为例对不同方法的计算精度进行对比,证明加权最小二乘法具有良好的计算精度,同时确定了探测器主体结构的Rayleigh阻尼参数。结构整体放置于纯水中,且有机玻璃球内部灌装液体闪烁剂,地震作用下流体对结构的影响不容忽视。本文对流体动力学的计算方法和理论进行简要分析,根据工程所处环境确定边界条件;对比了考虑流体粘性与不考虑流体粘性的流固耦合动力分析方法,并利用简化计算模型分析了流体粘性对与结构动力响应的影响;最后分析了考虑流体影响的结构动力特性计算方法,并通过算例进行验证。最后依据以上研究成果,建立了中心探测器主体结构的流固耦合分析模型,分析了流体对结构动力特性的影响;在静力分析的基础上,对结构进行罕遇地震下考虑流固耦合作用的结构弹塑性时程分析,总结了结构对于动力荷载的响应特征,为工程设计提供建议。
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