SSRF前端擋光元件設(shè)計中的若干力學(xué)問題研究.pdf

1、上海同步輻射裝置是一臺高性能的第三代同步輻射光源，其電子儲存環(huán)設(shè)計能量3.5Gev，僅次于日本的SPring-8、美國的APS和歐洲共同體的ESRF，居世界第四，是我國迄今為止最大的科學(xué)研究裝置和公共實驗平臺。擋光元件是光束線前端區(qū)處理同步輻射高熱負載、為其它元件提供熱保護的關(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，高熱負載問題給SSRF前端區(qū)設(shè)計帶來第一、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的

2、上海同步輻射裝置前端高熱負載研究項目，圍繞前端擋光元件設(shè)計中的若干重要力學(xué)問題，開展冷卻管道對流換熱模擬、Glidcop材料熱力學(xué)性能、前端擋光元件同步輻射循環(huán)熱負載下疲勞壽命預(yù)測等方面的研究，為前端擋光元件的設(shè)計及優(yōu)化提供重要參考。 對流換熱系數(shù)和流動阻力是前端擋光元件設(shè)計的重要參數(shù)，APS、SPring-8等第三代同步輻射裝置為了提高管道對流換熱系數(shù)進行了大量的實驗研究。為了降低研究成本、節(jié)省研究時間，SSRF采用數(shù)值模擬和

3、實驗研究相結(jié)合的方法研究冷卻管道的流體流動和對流換熱問題。數(shù)值模擬結(jié)果表明SSRF彎曲管道的對流換熱性能和冷卻水流量基本滿足前端冷卻管道的設(shè)計指標；管道的流動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阻力、提高管道的對流換熱性能。為了驗證傳熱數(shù)值模擬的正確性，根據(jù)牛頓冷卻定律設(shè)計管道對流換熱系數(shù)實驗測量系統(tǒng)，對流換熱系數(shù)的實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，說明采用數(shù)值方法模擬管道流動和換熱是正確可行的。 第

4、三代同步輻射產(chǎn)生的高熱負載會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載作用下的溫度和應(yīng)力場空間的分布，研究了束流漂移對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)計的前端擋光元件可以在300mA儲存環(huán)流和漂移情況下安全運行

5、。 為了設(shè)計能夠承受更高熱負載的前端擋光元件，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)。本文通過文獻調(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材料測試系統(tǒng)對Glidcop在各種溫度下拉伸性能進行了系統(tǒng)的實驗研究，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)測前端擋光元件在進入塑性

6、變形后的疲勞壽命，利用MTS材料測試系統(tǒng)對Glidcop的各種溫度下的低周疲勞性能進行了實驗研究，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)變進行了詳細分析，得到了疲勞元件在循環(huán)熱負載作用下危險點的應(yīng)力應(yīng)變隨時間的變化歷程。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載作用下不同預(yù)測方法得到的疲勞壽命。研究表明采用基于臨