赤道柔性支撐式有機(jī)玻璃球探測(cè)器結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、中微子物理是當(dāng)前物理學(xué)界最為前沿的研究熱點(diǎn)之一，許多國(guó)家對(duì)其開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，并建造了大量的探測(cè)設(shè)施，比較著名的如日本的超級(jí)岡神中微子探測(cè)器、加拿大的薩德伯里中微子探測(cè)器。我國(guó)也積極參與中微子的研究，開展了大亞灣中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)，并取得了諸多的成果。2013年，為了進(jìn)一步探索中微子性質(zhì)，我國(guó)在大亞灣中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出建造二期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——江門中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目擬建一個(gè)內(nèi)直徑Φ35.5m的球形中微子探測(cè)器，并選用有機(jī)玻

2、璃作為其主體材料。
　　本文主要任務(wù)是對(duì)該球形容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。早期的初步設(shè)計(jì)方案曾提出采用數(shù)根赤道正切柱式支座支撐有機(jī)玻璃球探測(cè)器，但該方案難以滿足設(shè)計(jì)要求，因而提出一種赤道柔性支撐有機(jī)玻璃球探測(cè)器結(jié)構(gòu)方案。為了確保結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)有機(jī)玻璃材料進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，確定其許用應(yīng)力取值;同時(shí)采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和外壓穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。開展的主要工作如下:
　　(1)開展了有機(jī)玻璃材料在液閃中的

3、老化試驗(yàn)，獲得其力學(xué)性能隨老化時(shí)間的變化關(guān)系，并基于老化機(jī)理推導(dǎo)了有機(jī)玻璃的抗拉強(qiáng)度與老化時(shí)間的動(dòng)力學(xué)方程。利用動(dòng)力學(xué)方程推算出有機(jī)玻璃在20℃的液閃環(huán)境中使用20年后抗拉強(qiáng)度值只有使用初期的90％。
　　(2)分別對(duì)常溫粘接、快料粘接、UV光固化和UV光固化后升溫處理四種粘接方法的粘接縫拉伸強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，并結(jié)合Weibull分布理論對(duì)四種粘接方法的可靠性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明常溫粘接和快料粘接方法可靠性較高，最終綜合考慮粘接速

4、度的因素，選擇快料粘接作為有機(jī)玻璃球探測(cè)器的粘接方法，并獲得其粘接縫強(qiáng)度削弱系數(shù)為0.83。
　　(3)參照3.3硼硅酸鹽玻璃和灰口鑄鐵許用應(yīng)力的計(jì)算方法，并考慮老化和粘接縫對(duì)有機(jī)玻璃抗拉強(qiáng)度的削弱作用，將有機(jī)玻璃許用拉應(yīng)力確定為5MPa;參照EN13445外壓穩(wěn)定性計(jì)算方法，并結(jié)合有限元分析結(jié)果，將基于ANSYSWorkbench特征值屈曲分析方法的外壓穩(wěn)定性安全系數(shù)確定為7.2。
　　(4)提出一種赤道柔性支撐有機(jī)玻璃球

5、探測(cè)器結(jié)構(gòu)方案，并采用有限元方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，機(jī)玻璃球探測(cè)器在內(nèi)外介質(zhì)等液位灌裝和運(yùn)行過程中不滿足穩(wěn)定性要求，而增加球體壁厚和提升內(nèi)外液位差均可以提高其外壓穩(wěn)定性。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)條件，最終采用提升內(nèi)外液位差至3.5m的方法來提高外壓穩(wěn)定性。
　　(5)分析了橢圓度對(duì)有機(jī)玻璃球探測(cè)器穩(wěn)定性的影響和單組支撐構(gòu)件失效對(duì)有機(jī)玻璃球探測(cè)器強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，在一定的范圍內(nèi)，橢圓度對(duì)球體穩(wěn)定性影響較小;單組支撐構(gòu)