SSRF前端擋光元件設(shè)計(jì)中的若干力學(xué)問(wèn)題研究.pdf

1、上海同步輻射裝置是一臺(tái)高性能的第三代同步輻射光源，其電子儲(chǔ)存環(huán)設(shè)計(jì)能量3.5Gev，僅次于日本的SPring-8、美國(guó)的APS和歐洲共同體的ESRF，居世界第四，是我國(guó)迄今為止最大的科學(xué)研究裝置和公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。擋光元件是光束線前端區(qū)處理同步輻射高熱負(fù)載、為其它元件提供熱保護(hù)的關(guān)鍵元件。第三代同步具有極高的輻射功率和峰值功率密度，高熱負(fù)載問(wèn)題給SSRF前端區(qū)設(shè)計(jì)帶來(lái)第一、二代光源尚未遇到一系列的困難。 本文結(jié)合作者所在研究組承擔(dān)的

2、上海同步輻射裝置前端高熱負(fù)載研究項(xiàng)目，圍繞前端擋光元件設(shè)計(jì)中的若干重要力學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展冷卻管道對(duì)流換熱模擬、Glidcop材料熱力學(xué)性能、前端擋光元件同步輻射循環(huán)熱負(fù)載下疲勞壽命預(yù)測(cè)等方面的研究，為前端擋光元件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供重要參考。 對(duì)流換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力是前端擋光元件設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，APS、SPring-8等第三代同步輻射裝置為了提高管道對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。為了降低研究成本、節(jié)省研究時(shí)間，SSRF采用數(shù)值模擬和

3、實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法研究冷卻管道的流體流動(dòng)和對(duì)流換熱問(wèn)題。數(shù)值模擬結(jié)果表明SSRF彎曲管道的對(duì)流換熱性能和冷卻水流量基本滿足前端冷卻管道的設(shè)計(jì)指標(biāo)；管道的流動(dòng)阻力主要集中在直角彎曲區(qū)域，采用圓弧管道連接可以顯著降低管道的流動(dòng)阻力、提高管道的對(duì)流換熱性能。為了驗(yàn)證傳熱數(shù)值模擬的正確性，根據(jù)牛頓冷卻定律設(shè)計(jì)管道對(duì)流換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)流換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，說(shuō)明采用數(shù)值方法模擬管道流動(dòng)和換熱是正確可行的。 第

4、三代同步輻射產(chǎn)生的高熱負(fù)載會(huì)在前端擋光元件表面產(chǎn)生極高的溫度和熱應(yīng)力，前端區(qū)能否安全、有效發(fā)揮作用，與前端區(qū)各元件布局是否合理密切相關(guān)。本文利用有限元分析得到了各擋光元件在同步輻射熱負(fù)載作用下的溫度和應(yīng)力場(chǎng)空間的分布，研究了束流漂移對(duì)前端擋光元件的最高溫度和最大應(yīng)力的影響。有限元分析結(jié)果表明，與前期的豎直傾斜面設(shè)計(jì)相比，采用水平傾斜面可以降低擋光元件的溫度和應(yīng)力水平，SSRF設(shè)計(jì)的前端擋光元件可以在300mA儲(chǔ)存環(huán)流和漂移情況下安全運(yùn)行

5、。 為了設(shè)計(jì)能夠承受更高熱負(fù)載的前端擋光元件，需要得到前端擋光元件的制造材料Glidcop在各種溫度情況下的性能參數(shù)。本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，得到了Glidcop的比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等材料熱物性隨溫度的變化關(guān)系。Glidcop的力學(xué)性能和材料的形狀、尺寸以及熱處理工藝相關(guān)，本文利用MTS材料測(cè)試系統(tǒng)對(duì)Glidcop在各種溫度下拉伸性能進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，得到了材料在不同的溫度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。為了預(yù)測(cè)前端擋光元件在進(jìn)入塑性

6、變形后的疲勞壽命，利用MTS材料測(cè)試系統(tǒng)對(duì)Glidcop的各種溫度下的低周疲勞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，建立了考慮溫度影響的總應(yīng)變-疲勞壽命關(guān)系。 最后，利用彈塑性有限元方法對(duì)APS熱疲勞元件在同步輻射循環(huán)加卸載下的溫度和應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了疲勞元件在循環(huán)熱負(fù)載作用下危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的變化歷程。采用多軸低周疲勞的臨界面分析方法，分析了擋光元件可能的破壞面以及多種熱負(fù)載作用下不同預(yù)測(cè)方法得到的疲勞壽命。研究表明采用基于臨