摘要：位于第三代同步輻射裝置SSRF上前端區的擋光元件是光束線上至關重要的部件，承受著高功率密度的輻照載荷作用，引起溫度的上升和熱應力的產生。按靜強度準則設計，使線彈性有限元計算得到的最大熱應力低于其制作材料Glidcop的屈服強度，理論壽命為無限，是過于保守的設計。若按有限熱疲勞壽命的方法來設計元件，可對目前的元件進行改良優化，而從提升裝置的總體性能。本文以典型插入式擋光元件結構為例，進行熱彈塑性有限元模擬，給出熱疲勞壽命評價方法，并依此對未來擋光元件的設計提出有限壽命的設計方法。這一方法也可為其它裝置上受高功率輻照載荷結構的熱疲勞設計提供借鑒。由于結構的對稱性，建模采用1/4實體模型，元件中布有橫向排布的水冷管道，擋光元件受光面上承受的熱負載在進行有限元分析時近似為表面熱源以施加載荷。首先對構件進行熱負載作用下的溫度分布，然后將溫度分布作為結構載荷并約束模型的剛體位移進行應力分析。針對Glidcop材料的熱物性和力學屬性等參數的溫度強相關性，分別采用實驗測得的各溫度相關參數，考慮束流正常及中心漂移兩種情況，利用彈塑性有限元方法計算各應力和應變分量隨時間的變化歷程，并與將材料參數設為不變量的線彈性有限元分析結果進行對比。之后采用綜合了各應變分量貢獻并考慮平均應力效應以及彈性泊松比和塑性泊松比區別后修正的Von Mises等效應變模型對擋光元件進行疲勞壽命預測。但是，模型計算的是束流總是正常或總是漂移情況下的疲勞壽命，實際中發生漂移的情況很少，定義發生漂移的概率，利用Miner線性累積損傷理論來綜合束流正常和發生漂移的情況，并考慮元件的表面粗糙度的影響，以及光束長時間照射的保載效應，得到擋光元件最終疲勞預測壽命。經數值模擬分析，發現線彈性有限元忽略材料屬性隨溫度變化而變化的事實，不能模擬元件局部區域可能已經進入塑性的狀況，這會對最終設計帶來偏差。目前設計的SSRF擋光元件在300mA束流下非常保守，結構上有很大的冗余。按有限壽命設計的理念，擋光元件只需滿足設計壽命即可，取10倍安全系數約為。為達到這一目標，可對現有元件進行改良優化或者重新設計，進行熱彈塑性模擬提取損傷參量計算使得式的結果不小于。

　　關鍵詞：同步輻射，疲勞模型，非線性有限元，損傷分析，壽命預測

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　　陳海波：hbchen@ustc.edu.cn

責任編輯：趙澤南

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