赤道柔性支撐式有機玻璃球探測器結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、中微子物理是當前物理學界最為前沿的研究熱點之一，許多國家對其開展了一系列的實驗研究，并建造了大量的探測設施，比較著名的如日本的超級岡神中微子探測器、加拿大的薩德伯里中微子探測器。我國也積極參與中微子的研究，開展了大亞灣中微子探測實驗，并取得了諸多的成果。2013年，為了進一步探索中微子性質(zhì)，我國在大亞灣中微子探測實驗的基礎上，提出建造二期實驗項目——江門中微子探測實驗，該實驗項目擬建一個內(nèi)直徑Φ35.5m的球形中微子探測器，并選用有機玻

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

3、老化試驗，獲得其力學性能隨老化時間的變化關(guān)系，并基于老化機理推導了有機玻璃的抗拉強度與老化時間的動力學方程。利用動力學方程推算出有機玻璃在20℃的液閃環(huán)境中使用20年后抗拉強度值只有使用初期的90％。
　　(2)分別對常溫粘接、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度進行試驗研究，并結(jié)合Weibull分布理論對四種粘接方法的可靠性進行了分析。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玻璃球探測器的粘接方法，并獲得其粘接縫強度削弱系數(shù)為0.83。
　　(3)參照3.3硼硅酸鹽玻璃和灰口鑄鐵許用應力的計算方法，并考慮老化和粘接縫對有機玻璃抗拉強度的削弱作用，將有機玻璃許用拉應力確定為5MPa;參照EN13445外壓穩(wěn)定性計算方法，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玻璃球

5、探測器結(jié)構(gòu)方案，并采用有限元方法對該結(jié)構(gòu)進行強度和穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，機玻璃球探測器在內(nèi)外介質(zhì)等液位灌裝和運行過程中不滿足穩(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)場物理實驗條件，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)分析了橢圓度對有機玻璃球探測器穩(wěn)定性的影響和單組支撐構(gòu)件失效對有機玻璃球探測器強度的影響。結(jié)果表明，在一定的范圍內(nèi)，橢圓度對球體穩(wěn)定性影響較小;單組支撐構(gòu)