Glidcop材料疲勞特性及同步輻射擋光元件的熱疲勞壽命研究.pdf

1、大科學裝置是為解決重大科技中基礎(chǔ)性、前瞻性的問題而投資興建的基礎(chǔ)科學研究和多學科交叉研究的公共平臺，對促進經(jīng)濟社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展和國家安全有著重要作用。大科學裝置中的關(guān)鍵零部件經(jīng)常處于高溫、高壓和強輻射的極端環(huán)境中，承受著疲勞載荷，容易發(fā)生疲勞破壞，在設(shè)計階段就需要重視疲勞破壞問題。
　　坐落于我國上海的同步輻射光源是一臺高性能的大科學裝置，電子存儲環(huán)設(shè)計能量位居世界第四。裝置中介于存儲環(huán)和光束線之間的一段光路稱為前端區(qū)。

2、前端區(qū)內(nèi)的擋光元件，具有吸收同步輻射大部分高熱負載的作用。擋光元件的設(shè)計面臨第三代同步輻射極高功率密度的問題，目前常用的靜強度設(shè)計方法雖然暫時解決了這一問題，但不夠經(jīng)濟合理，而面對未來更高的要求還需要提出新的設(shè)計方法。
　　本文針對上海光源的前端擋光元件設(shè)計問題，結(jié)合所在課題組承擔的國家自然科學基金項目“Glidcop受同步輻射高熱負載的疲勞失效機理研究”，對Glidcop材料的低周疲勞性能及擋光元件的熱疲勞壽命評估展開研究，探索

3、有限壽命的疲勞設(shè)計方法，采用了實驗測試、數(shù)值模擬和理論建模相結(jié)合的研究方法。主要內(nèi)容包括:
　　1.總結(jié)了Glidcop材料的熱物性參數(shù)隨溫度變化的特性。實驗測試了材料在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，獲得了其彈塑性本構(gòu)關(guān)系;進而研究了材料的低周疲勞性能，建立了不同溫度下表征材料疲勞壽命的總應(yīng)變-壽命關(guān)系。對Glidcop和第一、二代同步輻射裝置常用材料無氧銅的力學性能進行全面對比，分析各自的優(yōu)劣勢，為兩種材料的選擇與使用提供依據(jù)。

4、r>　　2.針對較多研究Glidcop的宏觀低周疲勞性能，而對材料微裂紋起裂和擴展行為卻鮮有研究的現(xiàn)象，設(shè)計了表面加工微孔的疲勞試樣進行應(yīng)力控制的低周疲勞試驗，對試樣的疲勞斷裂過程進行相機拍攝，后期定量測量孔邊裂紋的情況，探討其特有的微裂紋起裂與擴展特性，給出描述微裂紋擴展速率的Tomkins公式，加深對材料疲勞破壞機理的認識。
　　3.為考察Glidcop材料的低周疲勞壽命受表面粗糙度的影響，加工了不同表面粗糙度等級的疲勞試樣，

5、進行了應(yīng)力控制的低周疲勞試驗，通過擬合試驗結(jié)果得到了材料的疲勞壽命與表面粗糙度的定量關(guān)系。鑒于粗糙表面對疲勞壽命的顯著削弱作用，建議擋光元件的加工應(yīng)采取有效方法控制內(nèi)空腔壁面的粗糙度。
　　4.應(yīng)用熱彈塑性有限元模擬了APS和SPring-8熱疲勞實驗試樣的時變溫度場和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場，分析了試樣的受力特點，以多軸疲勞中的等效應(yīng)變法來預(yù)估擋光試樣的熱疲勞壽命。列舉了五個不同的等效應(yīng)變模型進行比較，分別依據(jù)各自文獻的疲勞參數(shù)對兩個實驗

6、進行了疲勞壽命預(yù)測，結(jié)果表明修正的VonMises等效應(yīng)變模型對所有工況預(yù)測的結(jié)果和實驗結(jié)果吻合最好。該模型考慮了平均應(yīng)力和彈塑性泊松比的影響，比較全面合理，工程上簡單實用，是預(yù)測高功率光束輻照下的結(jié)構(gòu)熱疲勞壽命的理想模型。
　　5.以上海光源的擋光元件為研究對象，對目前正服役的擋光元件采用的線彈性有限元法和靜強度設(shè)計準則進行回顧，指出其中的不合理性。改用彈塑性有限元模擬得到元件上危險點的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變，用修正的VonMises等效