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(xué)裝置是為解決重大科技中基礎(chǔ)性、前瞻性的問(wèn)題而投資興建的基礎(chǔ)科學(xué)研究和多學(xué)科交叉研究的公共平臺(tái)，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全有著重要作用。大科學(xué)裝置中的關(guān)鍵零部件經(jīng)常處于高溫、高壓和強(qiáng)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(jì)階段就需要重視疲勞破壞問(wèn)題。
　　坐落于我國(guó)上海的同步輻射光源是一臺(tái)高性能的大科學(xué)裝置，電子存儲(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)能量位居世界第四。裝置中介于存儲(chǔ)環(huán)和光束線之間的一段光路稱(chēng)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(fù)載的作用。擋光元件的設(shè)計(jì)面臨第三代同步輻射極高功率密度的問(wèn)題，目前常用的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法雖然暫時(shí)解決了這一問(wèn)題，但不夠經(jīng)濟(jì)合理，而面對(duì)未來(lái)更高的要求還需要提出新的設(shè)計(jì)方法。
　　本文針對(duì)上海光源的前端擋光元件設(shè)計(jì)問(wèn)題，結(jié)合所在課題組承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“Glidcop受同步輻射高熱負(fù)載的疲勞失效機(jī)理研究”，對(duì)Glidcop材料的低周疲勞性能及擋光元件的熱疲勞壽命評(píng)估展開(kāi)研究，探索

3、有限壽命的疲勞設(shè)計(jì)方法，采用了實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(jìn)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(duì)Glidcop和第一、二代同步輻射裝置常用材料無(wú)氧銅的力學(xué)性能進(jìn)行全面對(duì)比，分析各自的優(yōu)劣勢(shì)，為兩種材料的選擇與使用提供依據(jù)。

4、r>　　2.針對(duì)較多研究Glidcop的宏觀低周疲勞性能，而對(duì)材料微裂紋起裂和擴(kuò)展行為卻鮮有研究的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了表面加工微孔的疲勞試樣進(jìn)行應(yīng)力控制的低周疲勞試驗(yàn)，對(duì)試樣的疲勞斷裂過(guò)程進(jìn)行相機(jī)拍攝，后期定量測(cè)量孔邊裂紋的情況，探討其特有的微裂紋起裂與擴(kuò)展特性，給出描述微裂紋擴(kuò)展速率的Tomkins公式，加深對(duì)材料疲勞破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
　　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(jí)的疲勞試樣，

5、進(jìn)行了應(yīng)力控制的低周疲勞試驗(yàn)，通過(guò)擬合試驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)試樣的時(shí)變溫度場(chǎng)和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，分析了試樣的受力特點(diǎn)，以多軸疲勞中的等效應(yīng)變法來(lái)預(yù)估擋光試樣的熱疲勞壽命。列舉了五個(gè)不同的等效應(yīng)變模型進(jìn)行比較，分別依據(jù)各自文獻(xiàn)的疲勞參數(shù)對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)

6、進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果表明修正的VonMises等效應(yīng)變模型對(duì)所有工況預(yù)測(cè)的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單實(shí)用，是預(yù)測(cè)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(duì)象，對(duì)目前正服役的擋光元件采用的線彈性有限元法和靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)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(xiǎn)點(diǎn)的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變，用修正的VonMises等效