螺旋线行波管的热力电协同仿真研究

发布时间：2020-08-19 15:52

【摘要】：行波管是一类非常重要的微波真空电子器件,凭借其高功率、高增益、高效率、宽频带等优势广泛应用在雷达、电子对抗、通信及现代军事设备中。随着先进雷达、微波导航通信等系统的不断发展,对行波管的性能提出了越来越高的要求。这些高性能行波管除了电性能外,还需要对其散热能力以及受到的热应力进行分析,保证其工作的稳定性和可靠性。行波管内的零件温度发生变化时,由于外部结构以及内部各零件之间的相互约束,使行波管内部各零件不能完全自由胀缩,导致行波管的零部件产生热应力。当热应力超过材料的承受极限时,零件将会断裂。行波管电性能对零部件尺寸非常敏感,热应力形变将对电性能产生影响。温度、应力、电参数之间相互制约,对行波管准确高效的热力电协同仿真,从而保证行波管稳定、可靠的工作,具有十分重要的意义。本文将热力学理论与仿真计算相结合,对某型号螺旋线行波管的三大组件(电子枪、慢波结构、收集极)热力电协同仿真。使用ANSYS对三大组件进行热分析得到热分布,然后将热分布结果作为静力分析的初始条件计算热应力。根据温度分布及应力判断各零部件的可靠性,并根据热应力形变重新建模,对比形变前后的电性能变化,分析形变量对电性能的影响。本文主要工作和创新包括:1.对电子枪的环境适应性进行了研究。在-20℃~80℃范围内调整电子枪仿真时的外界环境温度,使用稳态热分析得到相应的阴极温度。发现:外界环境温度在-20℃~80℃范围内变化时,阴极温度与要求的阴极工作温度(1050℃)偏差在0.67%以内,此结果表明该电子枪可在较大的温差环境下稳定工作,具有良好的环境适应性。2.雷达及军事设备要求行波管具备快速响应能力(小于3分钟),而电子枪的启动时间决定了行波管的响应快慢。使用ANSYS软件的瞬态热分析模块计算了电子枪的阴极启动时间。启动时间大约为2分钟55秒,满足3分钟内快速启动的要求。3.电子枪热力电协同仿真研究。分析了电子枪热分布与网格、材料、接触热阻、环境温度的关系。使用ANSYS对电子枪热力分析,得到电子枪温度分布和热应力形变,并将形变后的模型导入MTSS重新计算电性能。对比形变前后电性能,发现电子枪注腰位置增大了0.05%,阴极发射电流减小了8.4%。4.螺旋线行波管慢波结构热力电协同仿真研究。使用ANSYS对慢波结构进行热力分析得到温度及热应力形变,在螺旋线内表面采用了更加精确的功率损耗分布加载方式,发现在螺旋线后半段靠近输出窗位置,螺旋线的最高温度达到249.13℃。根据热应力形变数据重新建模,并计算慢波结构形变前后的高频特性,发现耦合阻抗和色散曲线形变前后变化率分别在2.1%,5.4‰以内。5.螺旋线行波管多级降压收集极热力电协同仿真研究。使用MTSS计算各极板的功率损耗并作为热源,使用ANSYS对收集极热力分析得到温度及应力分布。忽略二次电子时,收集极最高温度及最大应力分别为189.7℃,67.471Mpa。考虑二次电子时,收集极最高温度及最大应力分别为275.55℃,112.35 Mpa,与忽略二次时相比,分别增加了45.2%,66.5%,二次电子对收集极的温度与应力有较大的影响。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN124
【图文】：

流程图,协同仿真,热力,流程

达到工作温度。在螺旋线以及收集极内表面施加热流密度的方式进行热YS 提供了多种添加热源的方式，比如热流密度，体热生成率，也可以添源。在使用计算机软件仿真时，网格的划分方法影响结果的精度及准确YS 提供多种划分网格的策略，比如扫掠网格划分、多域扫掠型网格划分网格划分、自动网格划分、六面体主导的网格划分，为仿真结果的准确保障。行波管对结构尺寸的精度要求很高，要尽可能避免行波管零部件出现较并且受到的热应力不能超过材料的承受上限。将 ANSYS Workbench 中的静力分析结合完成热力协同仿真，可以认为导致热应力以及形变的主要波管的温度分布[22]。使用 ANSYS Workbench 对螺旋线行波管的三大组件（电子枪、慢波结构）进行稳态热分析后，得到行波管的温度分布，然后将稳态热分析的结力分析模块的初始条件，得到热应力分布以及形变，然后根据此形变结管各组件重新建模，最后计算各组件的电性能，热力协同仿真流程如图。

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电子科技大学硕士学位论文，如果出现接触面的分离，那么法向的压力为零，属于非线性求解；Rou），仅适用于接触面之间，表示不会出现相对滑动，摩擦系数为无穷大nal（有摩擦），仅适用于接触面之间，表示接触面之间可以传递一定大小力，对此接触类型设置，表示两个接触面之间的剪切应力超过设定值时生相会滑动。电子枪内部结构之间通过焊接方式连接，不会出现相对滑动中导入模型时，需要设置接触面的接触类型为绑定类型，而且不允许出态的零件。

温度分布,整体温度,电子枪

热子加载功率为 0.679W/mm3，使阴极温度达到 1050℃，得到电子枪整体的温度分布，如图3-6 所示。选取电子枪的几个主要部件，热分布结果如图 3-7 所示。电子枪整体温度分布结果，如图 3-6 所示。根据温度分布可以看出，热量主要集中在阴极以及阴极组件上，阴极筒与外部结构通过支撑杆相连接，阻断了热量向外部结构传递，使得阴极能够快速积累大量的热量，从而达到工作温度。

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