惯性约束核聚变作为实现可控核聚变的有效手段,已成为世界各强国争相发展的战略高新技术,神光-Ⅲ主机装置是目前为止国内所建造的最大的惯性约束核聚变装置,其内部集成了上千块的大口径光学元件。当强激光通过光学元件时,如果光学元件表面存在污染物,就可能造成光学元件表面的损伤。对于已经损伤的光学元件,需要对其进行拆装维护。本文所设计的在线维护装置能够实现大口径光学元件的快速拆装,并且采用通正压洁净气体的方式来实现维护过程中的洁净控制,防止光学元件的二次污染。本文首先分析了光学元件在线可替换单元的结构特点以及现场维护环境,确定了在线维护方案,并完成了在线维护装置的结构设计。采用有限元分析软件对支撑架结构进行了应力分析。为了实现维护过程的高效性,本文对装载晶体元件的洁净箱进行了轻量化设计,实现了洁净箱的结构优化。然后,基于计算流体动力学理论以及FLUENT仿真软件,建立了维护过程中通正压洁净气体时的流体域仿真模型,对洁净箱内部的气相流场进行了仿真研究,获得了正压洁净气体对外界污染空气的隔离效果以及流场速度的分布规律。在气相流场的基础上,借助气固两相流的仿真原理,对洁净箱内部固相颗粒物的运动轨迹进行了仿真分析,研究了不同进气量对洁净状态的影响规律。通过对不同工况下仿真模型的数值计算,得到了不同安装顺序时洁净箱内部洁净状态的变化规律。最后,本文搭建了洁净箱洁净状态的实验检测系统,采用所设计的洁净箱,进行了现场通正压洁净气体的实验验证,检测了不同条件下的气流速度分布、洁净箱内颗粒物数量以及洁净状态。验证了仿真模型的正确性,同时获得了能够实现洁净控制的最佳进气量。