高速旋转氚钛靶系统热应力分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机械与汽车工程学院 作者:黄国兴

  建立了旋转靶的三维模型并对其进行了网格划分,利用ANSYS Workbench Fluent 对旋转靶的温度分布进行了计算,得到了靶面温度分布云图。最后将FLUENT 计算出的温度分布数据提取出来,并将之作为温度载荷引入至ANSYS Mechanical,利用间接热分析法对旋转靶进行了热应力分析,得到了不同管压下的旋转靶等效应力及总位移分布云图。

  氘氚中子发生器利用低能加速器加速氘离子轰击氚靶产生的中子源,可在聚变核能、中子反应堆裂变核能、军工国防、石油测井、地雷探测、透视检查等领域得到广泛应用。旋转靶是氘氚中子发生器的关键部件。氘氚中子发生器运行时,氘离子流轰击靶片,使氚靶温度迅速提升,且旋转靶由于高速旋转和外力作用,必然会发生一定的变形,由于靶片含氚量较高,因此必须对旋转靶进行强度校核和热应力计算,以保证旋转靶所受最大应力小于其强度极限,即靶片在工作时不会发生破裂,导致失效。

  1、模型建立

  首先利用Pro/E建立靶片和外壳模型,建模时删除对计算结果无影响或极小影响的零部件或特征,如螺栓,垫圈,小孔,倒角以及圆角等。旋转靶中的材料主要为液态冷却水、弥散强化无氧铜和304不锈钢,其中流体部分为水,固体部分为铜和钢。然后把模型导入ANSYS Workbench Environment 中的DesignModeler 模块中得到旋转靶三维几何模型,如图1(a) 所示。

  运用ANSYS Workbench Mesh 对3D 对称旋转靶分析模型进行网格划分,采用自动划分法进行网格单元划分,单元大小设置为0.003 m,划分网格单元后的模型如图1(b) 图所示。模型网格划分共划分成842316 个单元,1426300 个结点并将结果导入Fluent 中进行网格检查并确保无误。

旋转靶三维几何模型和网格划分图

图1 旋转靶三维几何模型和网格划分图

  5、总结

  本文对氘氚中子发生器高速旋转靶靶片进行了温度分布计算和热应力计算,结果表明靶片最高温度可达160℃,小于200℃,能够满足设计要求。管压在2 个大气压以下的最大应力值均小于弥散强化无氧铜的许用应力250 MPa,故旋转靶结构均能满足强度要求,不会导致失效。管压为2 个大气压时的最大应力值为253 MPa,略大于弥散强化无氧铜的许用应力250 MPa,旋转靶结构将不能够满足强度要求,会导致失效。

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