核反应堆冷却剂主循环泵(简称核主泵),承担着驱动核电站一回路冷却剂循环的重要功能,因而被喻为核电站的“心脏”。泵轴上装有惯性飞轮,正常运行时储备动能,而当电厂遭遇突然断电、主泵失去外部电源时,飞轮中储存的动能可以驱动泵轴持续惰转一段时间,从而带走反应堆余热,防止堆芯过热导致核事故,显然,核主泵飞轮的储能性能与安全运行关系到整个核电站的安全运行。由于飞轮工作在高温、高压、核辐射等特殊环境中,其结构材料、工作转速和尺寸设计受到了严格限制,这使得核主泵飞轮结构设计要求储能大与重量低、寿命长和可靠性高之间形成矛盾。针对此问题,本文以核主泵飞轮为研究对象,通过有限元法和结构优化设计技术,以提升储能密度(单位质量的储能)为目标,对传统设计实心圆盘飞轮的径向截面和旋转平面进行了形状和拓扑优化设计,并对三代核电技术中提出的多环套装钨合金飞轮进行了力学性能分析与尺寸优化设计,揭示了其中的钨合金层采用分块设计和间隙设计的力学机理。具体内容如下:第一章,首先总结了国际核电技术的发展历程、各国核电产业现状以及我国核电技术发展现状,然后介绍了轴封泵和屏蔽泵中几种典型核主泵飞轮的工作原理、结构特点与设计要求,并指出飞轮结构设计中大转动惯量和高储能密度的设计要求与难点,最后结合核主泵飞轮研究现状,论述了飞轮结构优化设计的必要性和可行性,并针对三代核电技术中提出的多环套装钨合金飞轮结构创新设计,讨论了亟待解决的科学技术问题。第二章,针对实心圆盘飞轮储能密度低的缺点,以提升储能密度为目标,对飞轮径向截面进行了形状优化设计。通过样条曲线拟合控制点方法来描述飞轮沿半径方向的轴向厚度分布,利用ANSYS和ISIGHT建立了飞轮有限元模型和形状优化模型,分别对轮轴一体式和过盈配合式飞轮径向截面进行了形状优化,得到了在应力约束和定质量约束下的优化结果。研究发现,两种飞轮最优截面形状均呈现出“中间薄,内外厚”的特点,对于过盈配合式飞轮,形状优化不仅有效提升了储能密度,而且改善了过盈配合面端部的应力集中,降低了飞轮启停过程的循环应力幅,有效提高疲劳寿命。第三章,针对实心圆盘飞轮传统设计,以提升储能密度为目标,对飞轮旋转平面进行了拓扑优化设计。基于OptiStruct变密度拓扑优化方法建立了飞轮旋转平面拓扑优化模型,将飞轮旋转平面划分为内环、中间环和外环三个区域,并固定内环和外环为非设计区域以保证飞轮结构的边界完整性,然后通过优化去除中间环(设计域)中对转动惯量贡献率较低的材料来提升飞轮储能密度,最终得到了在最小成员尺寸控制、旋转对称约束、应力和体积分数约束下的飞轮拓扑优化结果,并发现了这些控制和约束条件在飞轮旋转平面拓扑优化中的影响规律,为工程储能飞轮拓扑优化设计提供指导。第四章,针对多环套装钨合金飞轮创新设计,揭示了钨合金层采用分块设计和间隙设计的力学机理。以由内轮毂、中间钨合金层和外保持环三层结构组成的多环套装钨合金飞轮为研究对象,采用有限元法分析飞轮在过盈配合力、离心力和温度载荷耦合作用下的力学响应,并对比整体式和分块式钨合金层飞轮的热应力特性。研究发现,高温工作环境下,钨合金与不锈钢材料热膨胀系数的不匹配会导致飞轮结构产生热应力,尤其在钨合金层周向出现了很大拉应力,而采用分块式钨合金层设计可以有效释放这种热应力,并得到了钨合金层的最佳分块数和间隙尺寸。此项工作揭示了多环套装钨合金飞轮蕴含的力学机理,为我国消化引进国外技术、提出自己的创新飞轮设计提供理论基础。第五章,针对多环套装钨合金飞轮结构,以提升储能性能为目的,对飞轮各层径向尺寸和初始过盈量进行了优化设计研究。基于试验设计与代理模型方法,在满足飞轮结构强度安全和层间配合压力要求的前提下,分别以最大化储能密度和最大化转动惯量为目标,对飞轮各层径向尺寸和钨合金层与外保持环间的初始过盈量进行了设计,得到了最佳的过盈量和各层径向尺寸设计方案。与传统实心圆盘飞轮相比,多环套装钨合金飞轮设计方案,可提升储能密度11.6%,提升转动惯量80.8%。为多环套装钨合金飞轮的储能性能结构优化设计提供指导。