強流脈沖離子束輻照熱—力耦合作用數(shù)值模擬研究.pdf

1、強流脈沖離子束(HIPIB)技術具有短脈沖（小于1μs）超高功率密度(107-1014W/cm2)的特點，輻照材料產生顯著的熱學和力學效應，在材料表面強化和聚變堆第一壁材料評價方面得到應用。輻照過程溫度場與應力場的數(shù)值模擬可以克服實驗觀測研究的局限性分析輻照過程的熱-力學效應。然而HIPIB輻照過程涉及到材料熔化、燒蝕、凝固等復雜的物態(tài)變化造成數(shù)值模擬研究的困難，以往研究以溫度場模擬為主，應力場計算時簡化較多且較少考慮熱力耦合作用，難以

2、描述輻照過程中材料物態(tài)和物性的瞬態(tài)變化規(guī)律。為進一步探索HIPIB與材料熱力耦合作用機理，分析輻照實驗現(xiàn)象，開展了強流脈沖離子束熱力耦合作用模擬研究。
　　采用MSC.Marc軟件建立了HIPIB輻照第一壁材料金屬鎢二維軸對稱計算模型，通過引入Zerilli-Armstrong材料本構方程，實現(xiàn)了溫度和應變速率對輻照材料塑性流變力的影響的模擬，對熔化材料的熱物性參數(shù)進行合理假設來模擬熔化現(xiàn)象，運用生死單元法模擬表面燒蝕界面退讓行為

3、。并對第一壁材料金屬鎢進行輻照實驗，分析了金屬鎢在高熱負荷作用下熔化、燒蝕以及開裂等熱力耦合響應規(guī)律。
　　采用離子束流密度為50-300A/cm2的HIPIB輻照對金屬鎢過程進行了數(shù)值模擬，利用實驗參數(shù)計算得到了輻照過程中溫度場、應變場、應力場的演化過程和熔化燒蝕深度，解釋了輻照過程中反復燒蝕導致鎢表面粗糙度上升和選擇性燒蝕的問題，描述了表面應力的變化過程和殘余應力的產生過程。模型可模擬載能束表面輻照表面熱-力耦合過程。計算結果

4、解釋了輻照實驗中表面燒蝕與開裂現(xiàn)象，驗證了理論模型的合理性。
　　在25-800℃初始溫度下采用束流密度為200A/cm2輻照輻照金屬W材料，并模擬其輻照熱力耦合作用。模擬結果表明，在高初始溫度輻照過程中材料表層溫度梯度相對常溫較低，而且高溫使鎢材料更容易塑性變形，在輻照結束后殘余應力比常溫下要小，解釋了在高升溫輻照中表面裂紋減少的現(xiàn)象。
　　建立了表面有突起的溫度計算模型來模擬材料由于表面不平整引起的選擇性燒蝕作用，計算結