基于材料疲劳行为试验的SSRF挡光元件疲劳设计方法研究
发布时间：2022-01-17 08:05
作为一台高性能的第三代同步辐射光源,上海同步辐射装置（SSRF）中的光束线具有极高的功率密度。挡光元件位于储存环和光束线之间的前端区,是处理同步辐射高热负载并保护后续元件的关键元件。第三代同步辐射产生的极高热负载为挡光元件的设计提供了很大挑战。SSRF首期建设时采用大安全系数的静强度方法进行挡光元件设计,即无限寿命设计方法。然而实际元件在其使用期限30年内经受约104次循环载荷,此设计准则过于保守,且不够经济合理。提出新的更合理、更有效的方法是未来挡光元件设计的趋势,也是同步辐射装置性能进一步提高的必然要求。本文基于SSRF前端挡光元件的设计问题,依托课题组此前承担的国家自然科学基金项目,“Glidcop受同步辐射高热负载的疲劳失效机理研究”,针对Glidcop Al-15材料低周疲劳行为、各种因素对材料疲劳性能的影响及试验试件和挡光元件的裂纹扩展寿命预测等方面开展研究,使用试验测试及有限元仿真方法,结合裂纹扩展理论模型,提出了基于损伤容限原理的有限寿命设计方法,具体内容包括:（1）上海同步辐射装置前端区挡光元件材料的低周裂纹扩展规律研究基于损伤容限设计原理的有限寿命设计方法基础在于挡...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２同步辐射光路组成部分示意图??
＿??图１．１?ＳＳＲＦ总体布局结构示意图??２：＊ＦＳｉＲ?３：ｆｃ＊？?■（：＊？？?５：？！＾；??图１．２同步辐射光路组成部分示意图??在整体结构中，前端区是储存环与光束线之间的桥梁和纽带，其最基本的设??计要求即是安全可靠与稳定运行。前端区的主要作用包括监测光束位置、吸收??多余高热负载、去除同步辐射中低能光子以及保护后续其余非水冷元件等。其??中，专用于吸收同步辐射高热负载的光学元件称做挡光元件。本文讨论对象为??同步辐射能量较高的插入件前端挡光元件。前端区各挡光元件大体排布情况如??图１．３所示［１２］，包括一个前置光阑（Ｐｒｅ－Ｍａｓｋ），两个光子挡光器（Ｐｈｏｔｏｎ?ｓｈｕｔｔｅｒ）??和两个固定光阑（Ｆｉｘｅｄ?Ｍａｓｋ）。??光阑（Ｍａｓｋ）的主要作用是依据束线要求对光束进行约束，其中固定光阑??（ＨｘｅｄＭａｓｋ）是最重要的挡光元件之一，其结构如图１．４所示。其主要用途为，当??束流正常运行时，对储存环光束进行约束和裁剪，吸收掉除中心光锥外的全部光??束，而当束流发生漂移时，要保护后续非水冷元件免收光束的直接照射与??３??
图１．４典型的固定光阑结构图??实际工程中，光束线的能量波动会改变受其照射的挡光元件热负载，进而造??成元件温度以及热应力发生变化。光束线的多次启动与停歇会使挡光元件经历??一个疲劳过程。在加载与卸载过程中，挡光元件受光表面的温度梯度会产生热??应力，若热应力引起材料的塑性变形即会造成损伤，载荷循环多次后损伤逐渐累??积，导致疲劳裂纹的产生，之后裂纹扩展，最终失效。因此，该类元件的疲劳问??题需要受到重视，甚至在新的光束线设计阶段就应着重考虑。??ＳＳＲＦ的设计建造中，前端区承受辐照功率密度较低的光阑选用高导无氧铜??（Ｏｘｙｇｅｎ－Ｆｒｅｅ?Ｈｉｇｈ－Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ?Ｃｏｐｐｅｒ，简称?ＯＦＨＣ）作为材料，而米用铜基氧??化铝弥散强化材料Ｇｌｉｄｃｏｐ?Ａ１－１５作为承受较高照射功率密度的固定光阑与光子??挡光器等元件的主体材料。该材料除了具备良好的导电、导热性能外，同时具??有较强的抗高温软化能力，温度升高的情况下材料强度降低幅度相比无氧铜要??小?ｔｎ］。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Vacuum joints of dispersion-strengthened copper and its applications in synchrotron radiation front end[J]. Yong-Jun Li,Song Xue,Min Zhang,Dan-Dan Jia,Dong-Bai Dou,Yu Gao. Nuclear Science and Techniques. 2016(06)
[2]表面粗糙度对Glidcop和Q345低周疲劳寿命影响的试验研究[J]. 肖维灵,陈海波,殷琰. 实验力学. 2014(04)
[3]深冷处理对紫铜性能和显微组织的影响[J]. 王思贤,顾开选,王俊杰,张红,郭嘉. 稀有金属. 2013(02)
[4]表面粗糙度产生原因及影响因素的分析与控制[J]. 李志江. 装备制造技术. 2011(11)
[5]表面粗糙度对表面应力集中系数和疲劳寿命影响分析[J]. 章刚,刘军,刘永寿,岳珠峰. 机械强度. 2010(01)
[6]基于微裂纹扩展的疲劳蠕变寿命预测方法[J]. 董杰,陈学东,范志超,江慧丰,陆守香. 金属学报. 2008(10)
[7]同步辐射硬X射线微束技术[J]. 邓彪,余笑寒,徐洪杰. 核技术. 2007(05)
[8]退火处理对紫铜组织和性能的影响[J]. 郭贵中. 平原大学学报. 2006(03)
[9]金相分析中铜导线的腐蚀剂探讨[J]. 叶诗茂,阳世群,王新钢,祝兴华. 消防科学与技术. 2005(03)
[10]同步辐射的发现、特性及其应用领域的开拓[J]. 唐福元. 物理与工程. 2004(03)
博士论文
[1]Glidcop材料疲劳特性及同步辐射挡光元件的热疲劳寿命研究[D]. 肖维灵.中国科学技术大学 2014
[2]SSRF前端挡光元件设计中的若干力学问题研究[D]. 金建峰.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]Glidcop材料性能测试与SSRF热缓释部件热结构分析[D]. 刘家骅.中国科学技术大学 2009
本文编号：3594367
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２同步辐射光路组成部分示意图??
＿??图１．１?ＳＳＲＦ总体布局结构示意图??２：＊ＦＳｉＲ?３：ｆｃ＊？?■（：＊？？?５：？！＾；??图１．２同步辐射光路组成部分示意图??在整体结构中，前端区是储存环与光束线之间的桥梁和纽带，其最基本的设??计要求即是安全可靠与稳定运行。前端区的主要作用包括监测光束位置、吸收??多余高热负载、去除同步辐射中低能光子以及保护后续其余非水冷元件等。其??中，专用于吸收同步辐射高热负载的光学元件称做挡光元件。本文讨论对象为??同步辐射能量较高的插入件前端挡光元件。前端区各挡光元件大体排布情况如??图１．３所示［１２］，包括一个前置光阑（Ｐｒｅ－Ｍａｓｋ），两个光子挡光器（Ｐｈｏｔｏｎ?ｓｈｕｔｔｅｒ）??和两个固定光阑（Ｆｉｘｅｄ?Ｍａｓｋ）。??光阑（Ｍａｓｋ）的主要作用是依据束线要求对光束进行约束，其中固定光阑??（ＨｘｅｄＭａｓｋ）是最重要的挡光元件之一，其结构如图１．４所示。其主要用途为，当??束流正常运行时，对储存环光束进行约束和裁剪，吸收掉除中心光锥外的全部光??束，而当束流发生漂移时，要保护后续非水冷元件免收光束的直接照射与??３??
图１．４典型的固定光阑结构图??实际工程中，光束线的能量波动会改变受其照射的挡光元件热负载，进而造??成元件温度以及热应力发生变化。光束线的多次启动与停歇会使挡光元件经历??一个疲劳过程。在加载与卸载过程中，挡光元件受光表面的温度梯度会产生热??应力，若热应力引起材料的塑性变形即会造成损伤，载荷循环多次后损伤逐渐累??积，导致疲劳裂纹的产生，之后裂纹扩展，最终失效。因此，该类元件的疲劳问??题需要受到重视，甚至在新的光束线设计阶段就应着重考虑。??ＳＳＲＦ的设计建造中，前端区承受辐照功率密度较低的光阑选用高导无氧铜??（Ｏｘｙｇｅｎ－Ｆｒｅｅ?Ｈｉｇｈ－Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ?Ｃｏｐｐｅｒ，简称?ＯＦＨＣ）作为材料，而米用铜基氧??化铝弥散强化材料Ｇｌｉｄｃｏｐ?Ａ１－１５作为承受较高照射功率密度的固定光阑与光子??挡光器等元件的主体材料。该材料除了具备良好的导电、导热性能外，同时具??有较强的抗高温软化能力，温度升高的情况下材料强度降低幅度相比无氧铜要??小?ｔｎ］。??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Vacuum joints of dispersion-strengthened copper and its applications in synchrotron radiation front end[J]. Yong-Jun Li,Song Xue,Min Zhang,Dan-Dan Jia,Dong-Bai Dou,Yu Gao. Nuclear Science and Techniques. 2016(06)
[2]表面粗糙度对Glidcop和Q345低周疲劳寿命影响的试验研究[J]. 肖维灵,陈海波,殷琰. 实验力学. 2014(04)
[3]深冷处理对紫铜性能和显微组织的影响[J]. 王思贤,顾开选,王俊杰,张红,郭嘉. 稀有金属. 2013(02)
[4]表面粗糙度产生原因及影响因素的分析与控制[J]. 李志江. 装备制造技术. 2011(11)
[5]表面粗糙度对表面应力集中系数和疲劳寿命影响分析[J]. 章刚,刘军,刘永寿,岳珠峰. 机械强度. 2010(01)
[6]基于微裂纹扩展的疲劳蠕变寿命预测方法[J]. 董杰,陈学东,范志超,江慧丰,陆守香. 金属学报. 2008(10)
[7]同步辐射硬X射线微束技术[J]. 邓彪,余笑寒,徐洪杰. 核技术. 2007(05)
[8]退火处理对紫铜组织和性能的影响[J]. 郭贵中. 平原大学学报. 2006(03)
[9]金相分析中铜导线的腐蚀剂探讨[J]. 叶诗茂,阳世群,王新钢,祝兴华. 消防科学与技术. 2005(03)
[10]同步辐射的发现、特性及其应用领域的开拓[J]. 唐福元. 物理与工程. 2004(03)
博士论文
[1]Glidcop材料疲劳特性及同步辐射挡光元件的热疲劳寿命研究[D]. 肖维灵.中国科学技术大学 2014
[2]SSRF前端挡光元件设计中的若干力学问题研究[D]. 金建峰.中国科学技术大学 2009
硕士论文
[1]Glidcop材料性能测试与SSRF热缓释部件热结构分析[D]. 刘家骅.中国科学技术大学 2009
本文编号：3594367
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3594367.html
