目前,在第三代先进压水堆屏蔽电机主泵的设计中,为了确保核主泵在反应堆紧急停堆或全厂断电事故下,仍然能够继续驱动冷却剂循环,为一回路提供足够的惰转流量,避免发生堆芯融化事故,主泵转子系统中设置了具有大转动惯量的飞轮。由于屏蔽电机主泵的结构特点,飞轮的安装空间有限,为了保证飞轮拥有足够的转动惯量,飞轮的设计采用了内嵌钨合金重金属的双金属结构。双金属飞轮质量较大且高速旋转,一旦发生重大事故,将造成难以想象的后果。因此,飞轮对核主泵的安全发挥着至关重要的作用。本文以大型屏蔽电机主泵双金属飞轮为研究对象,对飞轮自身结构强度及断裂力学特性进行了分析,并在此基础上研究了承压边界对飞轮飞射物的包容性,最后进行了双金属飞轮的结构优化。具体内容如下:首先利用解析法,求解出双金属飞轮保持环与钨合金块之间的过盈量为1.2mm时,保持环接触面的径向应力为40.98MPa,为压应力;环向应力为477.52MPa,为拉应力。然后利用有限元方法,考虑双金属飞轮保持环与钨合金块之间的过盈配合和钨合金块彼此之间的接触,得到了装配过盈量是1.2mm时,接触面的径向应力为47.9MPa,环向应力为513.7MPa。与解析法计算结果比较可知,采用有限元法分析进行结构设计和校核更有利于确保核主泵的安全。同时,在假想的预制裂纹下,获得飞轮发生非延性断裂的临界转速为6600rpm,并将它作为飞轮破碎后飞射物的初速度。针对大型屏蔽电机主泵双金属飞轮的特殊结构,采用LS-DYNA显式动力学分析方法,分析了碰撞过程中单个钨合金块和电机壳的动能和内能的动态变化规律。结果表明,电机壳对钨合金块有很好的包容,并与已有研究进行对比,验证了分析的准确性。同时,研究了不同的电机壳厚度对碰撞过程的影响,获得了电机壳发生非包容性事件的临界厚度为111mm;分析了不同的初始速度对碰撞过程的影响,得到了电机壳包容失效的临界转速为12864rpm;研究了不同钨合金块厚度对碰撞过程的影响,获得了钨合金厚度的合理设计范围为:138mm-143mm。为了获得具有较大转动惯量且结构安全的飞轮,本文针对CAP1400中拟采用的钨合金块及钨合金棒两种结构的双金属飞轮进行了优化设计。结果表明:1)对于钨合金块结构的双金属飞轮,优化设计后飞轮的保持环厚度为0.029m;飞轮外半径为0.458m,比初始设计下的飞轮外半径减少0.65%;转动惯量为400.9kgm~2,比初始设计下的转动惯量提高了1.65%;2)对于钨合金棒结构的双金属飞轮,优化设计后的钨合金棒的直径分别取0.082m和0.117m,转动惯量为1873.4kgm~2,比初始设计下的转动惯量提高了8.2%。综上所述,本文分析双金属飞轮自身的结构强度,揭示了保持环的断裂力学特性,然后对事故工况下承压边界对飞轮飞射物的包容性进行研究,最后在分析的基础上对双金属飞轮结构进行优化设计,提出了一种双金属飞轮结构安全分析的方法。本文所获得的研究成果对大型屏蔽电机主泵飞轮系统的设计有重要的指导意义。