強(qiáng)流脈沖離子束輻照熱—力耦合作用數(shù)值模擬研究.pdf

1、強(qiáng)流脈沖離子束(HIPIB)技術(shù)具有短脈沖（小于1μs）超高功率密度(107-1014W/cm2)的特點(diǎn)，輻照材料產(chǎn)生顯著的熱學(xué)和力學(xué)效應(yīng)，在材料表面強(qiáng)化和聚變堆第一壁材料評(píng)價(jià)方面得到應(yīng)用。輻照過(guò)程溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬可以克服實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究的局限性分析輻照過(guò)程的熱-力學(xué)效應(yīng)。然而HIPIB輻照過(guò)程涉及到材料熔化、燒蝕、凝固等復(fù)雜的物態(tài)變化造成數(shù)值模擬研究的困難，以往研究以溫度場(chǎng)模擬為主，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化較多且較少考慮熱力耦合作用，難以

2、描述輻照過(guò)程中材料物態(tài)和物性的瞬態(tài)變化規(guī)律。為進(jìn)一步探索HIPIB與材料熱力耦合作用機(jī)理，分析輻照實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，開(kāi)展了強(qiáng)流脈沖離子束熱力耦合作用模擬研究。
　　采用MSC.Marc軟件建立了HIPIB輻照第一壁材料金屬鎢二維軸對(duì)稱計(jì)算模型，通過(guò)引入Zerilli-Armstrong材料本構(gòu)方程，實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變速率對(duì)輻照材料塑性流變力的影響的模擬，對(duì)熔化材料的熱物性參數(shù)進(jìn)行合理假設(shè)來(lái)模擬熔化現(xiàn)象，運(yùn)用生死單元法模擬表面燒蝕界面退讓行為

3、。并對(duì)第一壁材料金屬鎢進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，分析了金屬鎢在高熱負(fù)荷作用下熔化、燒蝕以及開(kāi)裂等熱力耦合響應(yīng)規(guī)律。
　　采用離子束流密度為50-300A/cm2的HIPIB輻照對(duì)金屬鎢過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到了輻照過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的演化過(guò)程和熔化燒蝕深度，解釋了輻照過(guò)程中反復(fù)燒蝕導(dǎo)致鎢表面粗糙度上升和選擇性燒蝕的問(wèn)題，描述了表面應(yīng)力的變化過(guò)程和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程。模型可模擬載能束表面輻照表面熱-力耦合過(guò)程。計(jì)算結(jié)果

4、解釋了輻照實(shí)驗(yàn)中表面燒蝕與開(kāi)裂現(xiàn)象，驗(yàn)證了理論模型的合理性。
　　在25-800℃初始溫度下采用束流密度為200A/cm2輻照輻照金屬W材料，并模擬其輻照熱力耦合作用。模擬結(jié)果表明，在高初始溫度輻照過(guò)程中材料表層溫度梯度相對(duì)常溫較低，而且高溫使鎢材料更容易塑性變形，在輻照結(jié)束后殘余應(yīng)力比常溫下要小，解釋了在高升溫輻照中表面裂紋減少的現(xiàn)象。
　　建立了表面有突起的溫度計(jì)算模型來(lái)模擬材料由于表面不平整引起的選擇性燒蝕作用，計(jì)算結(jié)