SSRF前端挡光元件设计中的若干力学问题研究

论文摘要

上海同步辐射装置是一台高性能的第三代同步辐射光源,其电子储存环设计能量3.5Gev,仅次于日本的SPring-8、美国的APS和欧洲共同体的ESRF,居世界第四,是我国迄今为止最大的科学研究装置和公共实验平台。挡光元件是光束线前端区处理同步辐射高热负载、为其它元件提供热保护的关键元件。第三代同步具有极高的辐射功率和峰值功率密度,高热负载问题给SSRF前端区设计带来第一、二代光源尚未遇到一系列的困难。本文结合作者所在研究组承担的上海同步辐射装置前端高热负载研究项目,围绕前端挡光元件设计中的若干重要力学问题,开展冷却管道对流换热模拟、Glidcop材料热力学性能、前端挡光元件同步辐射循环热负载下疲劳寿命预测等方面的研究,为前端挡光元件的设计及优化提供重要参考。对流换热系数和流动阻力是前端挡光元件设计的重要参数,APS、SPring-8等第三代同步辐射装置为了提高管道对流换热系数进行了大量的实验研究。为了降低研究成本、节省研究时间,SSRF采用数值模拟和实验研究相结合的方法研究冷却管道的流体流动和对流换热问题。数值模拟结果表明SSRF弯曲管道的对流换热性能和冷却水流量基本满足前端冷却管道的设计指标;管道的流动阻力主要集中在直角弯曲区域,采用圆弧管道连接可以显著降低管道的流动阻力、提高管道的对流换热性能。为了验证传热数值模拟的正确性,根据牛顿冷却定律设计管道对流换热系数实验测量系统,对流换热系数的实验结果和数值模拟结果吻合良好,说明采用数值方法模拟管道流动和换热是正确可行的。第三代同步辐射产生的高热负载会在前端挡光元件表面产生极高的温度和热应力,前端区能否安全、有效发挥作用,与前端区各元件布局是否合理密切相关。本文利用有限元分析得到了各挡光元件在同步辐射热负载作用下的温度和应力场空间的分布,研究了束流漂移对前端挡光元件的最高温度和最大应力的影响。有限元分析结果表明,与前期的竖直倾斜面设计相比,采用水平倾斜面可以降低挡光元件的温度和应力水平,SSRF设计的前端挡光元件可以在300mA储存环流和漂移情况下安全运行。为了设计能够承受更高热负载的前端挡光元件,需要得到前端挡光元件的制造材料Glidcop在各种温度情况下的性能参数。本文通过文献调研,得到了Glidcop的比热、热传导系数、热膨胀系数等材料热物性随温度的变化关系。Glidcop的力学性能和材料的形状、尺寸以及热处理工艺相关,本文利用MTS材料测试系统对Glidcop在各种温度下拉伸性能进行了系统的实验研究,得到了材料在不同的温度下的应力应变关系。为了预测前端挡光元件在进入塑性变形后的疲劳寿命,利用MTS材料测试系统对Glidcop的各种温度下的低周疲劳性能进行了实验研究,建立了考虑温度影响的总应变-疲劳寿命关系。最后,利用弹塑性有限元方法对APS热疲劳元件在同步辐射循环加卸载下的温度和应力应变进行了详细分析,得到了疲劳元件在循环热负载作用下危险点的应力应变随时间的变化历程。采用多轴低周疲劳的临界面分析方法,分析了挡光元件可能的破坏面以及多种热负载作用下不同预测方法得到的疲劳寿命。研究表明采用基于临界面的多轴疲劳寿命分析方法能够对挡光元件在同步辐射热负载作用下的疲劳寿命进行可靠的预测。对SSRF挡光元件进行疲劳寿命分析表明,SSRF前端元件可以承受400mA束流条件下的同步辐射热负载循环卸载的作用。参照ASME压力容器设计标准,建立了考虑疲劳寿命的新的前端挡光元件设计准则。

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第1章绪论

1.1 上海同步辐射装置及光束线简介

1.2 SSRF前端区挡光元件简介

1.3 前端挡光元件设计研究现状

1.3.1 挡光元件对流换热研究现状

1.3.2 Glidcop材料力学性能研究现状

1.3.3 前端挡光元件设计准则研究现状

1.4 本文的研究目标和研究内容

第2章 SSRF管道换热及流动阻力的数值模拟和实验研究

2.1 引言

2.2 长直管道对流换热及阻力特性

2.2.1 长直管道的阻力特性

2.2.2 长直管道的对流换热系数

2.3 数值模拟

2.3.1 数值传热学简介

2.3.2 控制方程

2.3.3 湍流模型和壁面函数

2.3.4 研究对象和边界条件

2.3.5 长直管道数值模拟结果

2.3.6 SSRF弯曲管道数值模拟结果

2.3.7 冷却管道改进设计

2.4 管道换热性能的实验研究

2.4.1 实验原理和方法

2.4.2 实验研究结果

2.4.3 实验误差分析

2.5 本章小结

第3章 SSRF前端挡光元件设计和热应力分析

3.1 引言

3.2 同步辐射前端挡光元件设计

3.2.1 前端挡光元件布局

3.2.2 前端各挡光元件设计要求

3.2.3 前端区同步辐射追迹

3.2.4 挡光元件光学孔径确定

3.3 温度和应力分析的控制方程及边界条件

3.3.1 同步辐射热负载边界条件

3.3.2 管道冷却对流边界条件

3.3.3 热传导控制方程

3.3.4 热弹性控制方程

3.3.5 材料属性和元件失效准则

3.4 前端挡光元件的有限元分析

3.4.1 医学成像光束线典型元件的有限元分析

3.4.2 微聚焦光束线典型元件的有限元分析

3.4.3 各挡光元件有限元分析结果总汇

3.5 小结

第4章 SSRF前端挡光元件材料力学性能研究

4.1 引言

4.2 GLIDCOP材料热物性

4.2.1 Glidcop材料的比热

4.2.2 Glidcop材料的导热系数

4.2.3 Glidcop材料的热膨胀系数

4.3 GLIDCOP拉伸力学性能实验研究

4.3.1 概述

4.3.2 拉伸试件制备和试验方案

4.3.3 拉伸试验结果

4.4 GLIDCOP材料疲劳性能研究

4.4.1 概述

4.4.2 疲劳试件制备

4.4.3 疲劳试验结果和分析

4.5 本章小结

第5章前端挡光元件在同步辐射作用下的疲劳寿命预测

5.1 引言

5.2 ESRF和APS光源疲劳实验介绍

5.2.1 ESRF挡光元件疲劳实验

5.2.2 APS疲劳实验介绍

5.2.3 疲劳实验小结

5.3 前端挡光元件的热弹塑性有限元分析

5.3.1 Glicop材料非线性本构

5.3.2 APS疲劳试件热机械耦合非线性有限元分析

5.3.3 SSRF挡光元件热机械耦合非线性有限元分析

5.4 前端元件的热疲劳寿命分析

5.4.1 多轴低周疲劳寿命分析方法介绍

5.4.2 APS试件的疲劳寿命分析

5.4.3 SSRF Mask2挡光元件疲劳分析结果

5.5 SSRF前端设计准则

5.6 本章小结

第6章总结和展望

6.1 工作总结

6.2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢

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