学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

Glidcop材料疲劳特性及同步辐射挡光元件的热疲劳寿命研究

作　者: 肖维灵
导　师: 陈海波
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 固体力学
关键词: 同步辐射挡光元件 Glidcop 疲劳特性有限元模拟热疲劳寿命预测有限寿命设计法
分类号: O346.2
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
下　载: 8次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

大科学装置是为解决重大科技中基础性、前瞻性的问题而投资兴建的基础科学研究和多学科交叉研究的公共平台,对促进经济社会全面、协调、可持续发展和国家安全有着重要作用。大科学装置中的关键零部件经常处于高温、高压和强辐射的极端环境中,承受着疲劳载荷,容易发生疲劳破坏,在设计阶段就需要重视疲劳破坏问题。坐落于我国上海的同步辐射光源是一台高性能的大科学装置,电子存储环设计能量位居世界第四。装置中介于存储环和光束线之间的一段光路称为前端区。前端区内的挡光元件,具有吸收同步辐射大部分高热负载的作用。挡光元件的设计面临第三代同步辐射极高功率密度的问题,目前常用的静强度设计方法虽然暂时解决了这一问题,但不够经济合理,而面对未来更高的要求还需要提出新的设计方法。本文针对上海光源的前端挡光元件设计问题,结合所在课题组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”,对Glidcop材料的低周疲劳性能及挡光元件的热疲劳寿命评估展开研究,探索有限寿命的疲劳设计方法,采用了实验测试、数值模拟和理论建模相结合的研究方法。主要内容包括：1.总结了Glidcop材料的热物性参数随温度变化的特性。实验测试了材料在不同温度下的应力应变关系,获得了其弹塑性本构关系；进而研究了材料的低周疲劳性能,建立了不同温度下表征材料疲劳寿命的总应变-寿命关系。对Glidcop和第一、二代同步辐射装置常用材料无氧铜的力学性能进行全面对比,分析各自的优劣势,为两种材料的选择与使用提供依据。2.针对较多研究Glidcop的宏观低周疲劳性能,而对材料微裂纹起裂和扩展行为却鲜有研究的现象,设计了表面加工微孔的疲劳试样进行应力控制的低周疲劳试验,对试样的疲劳断裂过程进行相机拍摄,后期定量测量孔边裂纹的情况,探讨其特有的微裂纹起裂与扩展特性,给出描述微裂纹扩展速率的Tomkins公式,加深对材料疲劳破坏机理的认识。3.为考察Glidcop材料的低周疲劳寿命受表面粗糙度的影响,加工了不同表面粗糙度等级的疲劳试样,进行了应力控制的低周疲劳试验,通过拟合试验结果得到了材料的疲劳寿命与表面粗糙度的定量关系。鉴于粗糙表面对疲劳寿命的显著削弱作用,建议挡光元件的加工应采取有效方法控制内空腔壁面的粗糙度。4.应用热弹塑性有限元模拟了APS和SPring-8热疲劳实验试样的时变温度场和循环应力应变场,分析了试样的受力特点,以多轴疲劳中的等效应变法来预估挡光试样的热疲劳寿命。列举了五个不同的等效应变模型进行比较,分别依据各自文献的疲劳参数对两个实验进行了疲劳寿命预测,结果表明修正的Von Mises等效应变模型对所有工况预测的结果和实验结果吻合最好。该模型考虑了平均应力和弹塑性泊松比的影响,比较全面合理,工程上简单实用,是预测高功率光束辐照下的结构热疲劳寿命的理想模型。5.以上海光源的挡光元件为研究对象,对目前正服役的挡光元件采用的线弹性有限元法和静强度设计准则进行回顾,指出其中的不合理性。改用弹塑性有限元模拟得到元件上危险点的循环应力应变,用修正的Von Mises等效应变模型预估出束流总是正常或总是漂移下的寿命结果,而针对束流漂移发生较少的事实,结合Miner线性累积损伤理论综合给出挡光元件的最终寿命预测结果,形成了挡光元件的热疲劳寿命评估方法。上海光源的挡光元件目前的设计过于保守,即便束流强度增加到500mA仍有余量,考虑到挡光元件30年约104次循环加卸载的设计寿命,提出有限寿命的疲劳设计方法,为其优化设计提供参考。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-18
第1章绪论  18-30
  1.1 课题的研究背景与意义  18-19
  1.2 同步辐射装置  19-21
  1.3 前端区和挡光元件  21-22
  1.4 热疲劳  22-24
  1.5 Glidcop材料疲劳性能研究现状  24-26
  1.6 挡光元件设计方法研究现状  26-28
    1.6.1 静强度设计方法  26
    1.6.2 疲劳设计方法  26-28
  1.7 论文的研究目标与研究内容  28-30
第2章氧化铝弥散强化铜Glidcop材料性能研究  30-50
  2.1 引言  30
  2.2 Glidcop材料基本概况  30-33
  2.3 Glidcop材料热物性  33-36
    2.3.1 导热系数  33-34
    2.3.2 比热  34
    2.3.3 热膨胀系数  34-36
  2.4 Glidcop单调拉伸力学性能  36-38
    2.4.1 拉伸试验结果  36-37
    2.4.2 拉伸断口形貌  37-38
  2.5 Glidcop低周疲劳性能  38-44
    2.5.1 Glidcop的循环变形特性  40-42
    2.5.2 Glidcop的应变寿命曲线  42-43
    2.5.3 Glidcop的循环应力-应变曲线  43-44
  2.6 Glidcop与无氧铜的力学性能对比  44-48
  2.7 本章小结  48-50
第3章 Glidcop低周疲劳裂纹起裂与扩展行为的试验研究  50-64
  3.1 引言  50-51
  3.2 试验设计  51-53
    3.2.1 材料和试样  51-52
    3.2.2 疲劳试验方法  52-53
  3.3 试验结果  53-63
    3.3.1 低周疲劳寿命与孔径关系  54-55
    3.3.2 疲劳过程与Manson-Coffin方程  55-57
    3.3.3 带孔试样的裂纹萌生与扩展行为  57-59
    3.3.4 带孔试样的微裂纹扩展速率  59-63
  3.4 本章小结  63-64
第4章表面粗糙度对Glidcop低周疲劳寿命的影响  64-76
  4.1 引言  64-65
  4.2 试验设计  65-67
    4.2.1 材料和试样  65-66
    4.2.2 试样的制备和表面粗糙度的测量  66-67
    4.2.3 疲劳试验方法  67
  4.3 试验结果与数据处理  67-73
    4.3.1 低周疲劳寿命  67-70
    4.3.2 扫描电镜观察  70-73
  4.4 几点讨论  73-75
  4.5 本章小结  75-76
第5章热疲劳实验挡光试样的热弹塑性有限元模拟  76-94
  5.1 引言  76
  5.2 APS热疲劳实验过程有限元模拟  76-85
    5.2.1 实验介绍  77-78
    5.2.2 温度场有限元模拟  78-82
    5.2.3 应力应变场弹塑性模拟  82-85
  5.3 SPring-8热疲劳实验过程有限元模拟  85-92
    5.3.1 实验介绍  85-87
    5.3.2 温度场有限元模拟  87-90
    5.3.3 应力应变场弹塑性模拟  90-92
  5.4 两个实验的比较  92-93
    5.4.1 不同之处  92
    5.4.2 相同之处  92-93
  5.5 本章小结  93-94
第6章低周热疲劳寿命预测模型的建立  94-112
  6.1 引言  94-95
  6.2 多轴低周疲劳的等效应变模型  95-98
  6.3 APS试样低周热疲劳寿命预测  98-105
    6.3.1 APS试样疲劳参数的确定  99-100
    6.3.2 APS试样损伤量的获取  100-102
    6.3.3 APS疲劳寿命预测结果  102-105
  6.4 SPring-8试样低周热疲劳寿命预测  105-108
    6.4.1 SPring-8试样疲劳参数的确定  105-106
    6.4.2 SPring-8试样损伤量的获取  106
    6.4.3 SPring-8疲劳寿命预测结果  106-108
  6.5 疲劳寿命预测模型的最终确立  108-109
  6.6 两点讨论  109-110
  6.7 本章小结  110-112
第7章 SSRF挡光元件的热疲劳寿命评估  112-130
  7.1 引言  112
  7.2 SSRF挡光元件的基本要求  112-113
    7.2.1 SSRF挡光元件的设计要求  112-113
    7.2.2 挡光元件的光学孔径参数  113
  7.3 挡光元件的设计准则和线弹性热应力有限元模拟  113-118
    7.3.1 SSRF目前使用的挡光元件设计准则  113-114
    7.3.2 典型挡光元件Mask2的线弹性有限元模拟  114-118
  7.4 挡光元件Mask2的热弹塑性有限元模拟  118-123
  7.5 挡光元件的热疲劳寿命预测  123-126
    7.5.1 依据疲劳累积损伤理论预测的寿命  124-125
    7.5.2 计及表面粗糙度和保持时间影响因素的疲劳寿命  125-126
  7.6 挡光元件的有限寿命设计方法  126-128
  7.7 本章小结  128-130
第8章结论与展望  130-134
  8.1 工作总结  130-131
  8.2 论文的主要创新点  131-132
  8.3 下一步工作展望  132-134
参考文献  134-142
致谢  142-144
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  144-145

Glidcop材料疲劳特性及同步辐射挡光元件的热疲劳寿命研究

内容摘要

全文目录

相似论文