高速旋轉(zhuǎn)氚鈦靶系統(tǒng)熱應(yīng)力分析

氘氚中子發(fā)生器利用低能加速器加速氘離子轟擊氚靶產(chǎn)生的中子源，可在聚變核能?中子反應(yīng)堆裂變核能?軍工國防?石油測(cè)井?地雷探測(cè)?透視檢查等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?旋轉(zhuǎn)靶是氘氚中子發(fā)生器的關(guān)鍵部件 [1]?氘氚中子發(fā)生器運(yùn)行時(shí)，氘離子流轟擊靶片，使氚靶溫度迅速提升，且旋轉(zhuǎn)靶由于高速旋轉(zhuǎn)和外力作用，必然會(huì)發(fā)生一定的變形，由于靶片含氚量較高，因此必須對(duì)旋轉(zhuǎn)靶進(jìn)行強(qiáng)度校核和熱應(yīng)力計(jì)算，以保證旋轉(zhuǎn)靶所受最大應(yīng)力小于其強(qiáng)度極限 [2-3], 即靶片在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生破裂，導(dǎo)致失效?

1、模型建立

首先利用 Pro /E 建立靶片和外殼模型，建模時(shí)刪除對(duì)計(jì)算結(jié)果無影響或極小影響的零部件或特征，如螺栓，墊圈，小孔，倒角以及圓角等?旋轉(zhuǎn)靶中的材料主要為液態(tài)冷卻水?彌散強(qiáng)化無氧銅和 304 不銹鋼，其中流體部分為水，固體部分為銅和鋼?然后把模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench Environment 中的 DesignModeler 模塊中得到旋轉(zhuǎn)靶三維幾何模型，如圖 1 (a) 所示?

運(yùn)用 ANSYS Workbench Mesh 對(duì) 3D 對(duì)稱旋轉(zhuǎn)靶分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用自動(dòng)劃分法進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑瑔卧笮≡O(shè)置為 0. 003 m, 劃分網(wǎng)格單元后的模型如圖 1 ( b) 圖所示?模型網(wǎng)格劃分共劃分成 842316 個(gè)單元，1426300 個(gè)結(jié)點(diǎn)并將結(jié)果導(dǎo)入 Fluent 中進(jìn)行網(wǎng)格檢查并確保無誤?

2、受力分析

旋轉(zhuǎn)靶靶片工作時(shí)主要受到兩個(gè)外力作用，分別為靶片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心應(yīng)力和冷卻水所產(chǎn)生的水壓力?

靶片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心應(yīng)力可表示為

式中，ρ 為密度，\(\omega 為圓盤的角速度，μ 為材料泊松比，R 為圓盤外徑。 對(duì)于靶片所受的水壓，可利用伯努利方程進(jìn)行計(jì)算

式中p1、v1、h1和p2、v2、h2分別表示進(jìn)出口壓力?流速、相對(duì)基準(zhǔn)面高度，g 為重力加速度，ρ 為水的密度，hL為壓頭損失?由于水流進(jìn)出口位于一個(gè)平面上，所以 h1=h2。 

壓力損失 hL可利用式 (3) 進(jìn)行計(jì)算，即

式中，

為相連接的管道各段的沿程損失總和，

為管道中所有局部損失的總和，

其中L、d、v、ξ、γ分別為管道長度?直徑 (當(dāng)量直徑) ?通過局部裝置后的平均流速?局部阻力系數(shù)?沿程阻力系數(shù)?

3、旋轉(zhuǎn)靶溫度分布

為進(jìn)行旋轉(zhuǎn)靶熱應(yīng)力分析，必須先計(jì)算出其溫度分布?本文的旋轉(zhuǎn)靶熱應(yīng)力分析是基于 ANSYS Workbench Fluent 13. 0 進(jìn)行的 [3-6], 其中靶片直徑為 320 mm, 繞中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 1000 r/min, 束斑直徑為 10 mm 的氚束轟擊到氚鈦膜上?將 Fluent 的溫度分布分析結(jié)果導(dǎo)入至 ANSYS Mechanical 中，得出溫度分布如圖 2 所示?從圖中可看出最大溫度分布在圓環(huán)區(qū)域的加熱受熱點(diǎn)，最高溫度為 160. 20663℃, 低于 200℃, 滿足設(shè)計(jì)要求 [1]?

4、旋轉(zhuǎn)靶熱應(yīng)力分析

將 FLUENT 計(jì)算出的溫度分布提取出來，并將之作為溫度載荷引入至 ANSYS Mechanical, 利用間接熱分析法進(jìn)行熱應(yīng)力分析?計(jì)算過程中將溫度作為已知量加載到各節(jié)點(diǎn)處，故不存在傳熱現(xiàn)象? 旋轉(zhuǎn)靶熱應(yīng)力分析可以分成兩個(gè)部分，一是不考慮管壓下的熱應(yīng)力分析；二是考慮管壓下的熱應(yīng)力分析?為了保證冷卻水相對(duì)于大氣壓下要能出流，必須考慮入口冷卻水的實(shí)際壓強(qiáng)，由管壓差可知必須保證實(shí)際壓強(qiáng)值約大于 0. 121 MPa, 為了保守估計(jì)，故分別考慮 1. 2,1. 3,1. 4,1. 5?2 個(gè)大氣壓 ( 1 個(gè)大氣壓\(=1.01 ×10^{5Pa) 下的熱應(yīng)力分析?整個(gè)流道中壓降相對(duì)于大氣壓并不大，因此考慮管壓時(shí)，在整個(gè)流道中分別對(duì)以上壓強(qiáng)值的管壓下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)靶的熱應(yīng)力分析，分析結(jié)果如下?

4.1 不考慮管壓下的熱應(yīng)力分析

由圖 3 (a) 可知，最大位移在受熱圓環(huán)上的受熱點(diǎn)處，為 0. 0180 mm, 變形量很小?由圖 3 ( b) 可知，旋轉(zhuǎn)靶最大應(yīng)力主要分布在加熱區(qū)域上，靶片最大等效應(yīng)力值為 131 MPa, 小于彌散強(qiáng)化無氧銅的許用應(yīng)力 250 MPa, 認(rèn)為旋轉(zhuǎn)靶結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)導(dǎo)致失效?

4.2 考慮管壓下的熱應(yīng)力分析

對(duì)管壓在 1. 2,1. 3,1. 4,1. 5,2 個(gè)大氣壓下的旋轉(zhuǎn)靶進(jìn)行熱應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖 4 所示?

上述各圖可看出，銅靶最大應(yīng)力處發(fā)生在不銹鋼夾緊處，各管壓下的最大應(yīng)力與最大位移如表 1 所示?

表 1 不同管壓下最大應(yīng)力及最大位移

Tab． 1 Dependence of the maximum stress and displacement on the pressure

從表中可看出，管壓在 2 個(gè)大氣壓以下的最大應(yīng)力值均小于彌散強(qiáng)化無氧銅的許用應(yīng)力 250 MPa, 故旋轉(zhuǎn)靶結(jié)構(gòu)均能滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)導(dǎo)致失效?管壓為 2 個(gè)大氣壓時(shí)的最大應(yīng)力值為 253 MPa, 略大于彌散強(qiáng)化無氧銅的許用應(yīng)力 250 MPa, 旋轉(zhuǎn)靶結(jié)構(gòu)將不能夠滿足強(qiáng)度要求，會(huì)導(dǎo)致失效?從上述各總位移分布云圖可以看出，靶片中心處有很明顯的凸起且隨著管壓的增大而增大，管壓為 2 個(gè)大氣壓時(shí)的最大位移為 3. 292 mm?

5、總結(jié)

本文對(duì)氘氚中子發(fā)生器高速旋轉(zhuǎn)靶靶片進(jìn)行了溫度分布計(jì)算和熱應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果表明靶片最高溫度可達(dá) 160℃, 小于 200℃, 能夠滿足設(shè)計(jì)要求?管壓在 2 個(gè)大氣壓以下的最大應(yīng)力值均小于彌散強(qiáng)化無氧銅的許用應(yīng)力 250 MPa, 故旋轉(zhuǎn)靶結(jié)構(gòu)均能滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)導(dǎo)致失效?管壓為 2 個(gè)大氣壓時(shí)的最大應(yīng)力值為 253 MPa, 略大于彌散強(qiáng)化無氧銅的許用應(yīng)力 250 MPa, 旋轉(zhuǎn)靶結(jié)構(gòu)將不能夠滿足強(qiáng)度要求，會(huì)導(dǎo)致失效?

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 姚澤恩，陳尚文，蘇桐齡，等。高速旋轉(zhuǎn)氚鈦靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)和靶溫度的數(shù)值模擬 [J]. 核技術(shù)，2004,27 ( 10) : 787 -790

[2] 宋逢泉。強(qiáng)流氘氚中子發(fā)生器直流束線與氚靶系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]. 合肥：中國科技大學(xué)，2013:47 -53

[3] 羅順忠，楊本福，龍興貴。中子發(fā)生器用氚靶的研究進(jìn)展 [J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2002,36 ( 4 /5) :290 -295

[4] 江 帆，黃 鵬.FLUENT 高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析 [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008:9 -15

[5] 宋學(xué)官，蔡 林，張 華.ANSYS 流固耦合分析與工程實(shí)例 [M]. 北京：中國水利水電出版社，2012:14 -15

[6] 曹文鋼，展 亮，曹昌勝，等。氚鈦靶系統(tǒng)靶溫升瞬態(tài)分析的方法研究 [J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2014,34 ( 6) :575 -578

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