摘要：位于第三代同步輻射裝置SSRF上前端區(qū)的擋光元件是光束線上至關(guān)重要的部件，承受著高功率密度的輻照載荷作用，引起溫度的上升和熱應(yīng)力的產(chǎn)生。按靜強(qiáng)度準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，使線彈性有限元計(jì)算得到的最大熱應(yīng)力低于其制作材料Glidcop的屈服強(qiáng)度，理論壽命為無限，是過于保守的設(shè)計(jì)。若按有限熱疲勞壽命的方法來設(shè)計(jì)元件，可對目前的元件進(jìn)行改良優(yōu)化，而從提升裝置的總體性能。本文以典型插入式擋光元件結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行熱彈塑性有限元模擬，給出熱疲勞壽命評價方法，并依此對未來擋光元件的設(shè)計(jì)提出有限壽命的設(shè)計(jì)方法。這一方法也可為其它裝置上受高功率輻照載荷結(jié)構(gòu)的熱疲勞設(shè)計(jì)提供借鑒。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，建模采用1/4實(shí)體模型，元件中布有橫向排布的水冷管道，擋光元件受光面上承受的熱負(fù)載在進(jìn)行有限元分析時近似為表面熱源以施加載荷。首先對構(gòu)件進(jìn)行熱負(fù)載作用下的溫度分布，然后將溫度分布作為結(jié)構(gòu)載荷并約束模型的剛體位移進(jìn)行應(yīng)力分析。針對Glidcop材料的熱物性和力學(xué)屬性等參數(shù)的溫度強(qiáng)相關(guān)性，分別采用實(shí)驗(yàn)測得的各溫度相關(guān)參數(shù)，考慮束流正常及中心漂移兩種情況，利用彈塑性有限元方法計(jì)算各應(yīng)力和應(yīng)變分量隨時間的變化歷程，并與將材料參數(shù)設(shè)為不變量的線彈性有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比。之后采用綜合了各應(yīng)變分量貢獻(xiàn)并考慮平均應(yīng)力效應(yīng)以及彈性泊松比和塑性泊松比區(qū)別后修正的Von Mises等效應(yīng)變模型對擋光元件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。但是，模型計(jì)算的是束流總是正常或總是漂移情況下的疲勞壽命，實(shí)際中發(fā)生漂移的情況很少，定義發(fā)生漂移的概率，利用Miner線性累積損傷理論來綜合束流正常和發(fā)生漂移的情況，并考慮元件的表面粗糙度的影響，以及光束長時間照射的保載效應(yīng)，得到擋光元件最終疲勞預(yù)測壽命。經(jīng)數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)線彈性有限元忽略材料屬性隨溫度變化而變化的事實(shí)，不能模擬元件局部區(qū)域可能已經(jīng)進(jìn)入塑性的狀況，這會對最終設(shè)計(jì)帶來偏差。目前設(shè)計(jì)的SSRF擋光元件在300mA束流下非常保守，結(jié)構(gòu)上有很大的冗余。按有限壽命設(shè)計(jì)的理念，擋光元件只需滿足設(shè)計(jì)壽命即可，取10倍安全系數(shù)約為。為達(dá)到這一目標(biāo)，可對現(xiàn)有元件進(jìn)行改良優(yōu)化或者重新設(shè)計(jì)，進(jìn)行熱彈塑性模擬提取損傷參量計(jì)算使得式的結(jié)果不小于。

　　關(guān)鍵詞：同步輻射，疲勞模型，非線性有限元，損傷分析，壽命預(yù)測

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