高速旋轉(zhuǎn)氚鈦靶系統(tǒng)熱應(yīng)力分析

　　建立了旋轉(zhuǎn)靶的三維模型并對其進行了網(wǎng)格劃分，利用ANSYS Workbench Fluent 對旋轉(zhuǎn)靶的溫度分布進行了計算，得到了靶面溫度分布云圖。最后將FLUENT 計算出的溫度分布數(shù)據(jù)提取出來，并將之作為溫度載荷引入至ANSYS Mechanical，利用間接熱分析法對旋轉(zhuǎn)靶進行了熱應(yīng)力分析，得到了不同管壓下的旋轉(zhuǎn)靶等效應(yīng)力及總位移分布云圖。

　　氘氚中子發(fā)生器利用低能加速器加速氘離子轟擊氚靶產(chǎn)生的中子源，可在聚變核能、中子反應(yīng)堆裂變核能、軍工國防、石油測井、地雷探測、透視檢查等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)靶是氘氚中子發(fā)生器的關(guān)鍵部件。氘氚中子發(fā)生器運行時，氘離子流轟擊靶片，使氚靶溫度迅速提升，且旋轉(zhuǎn)靶由于高速旋轉(zhuǎn)和外力作用，必然會發(fā)生一定的變形，由于靶片含氚量較高，因此必須對旋轉(zhuǎn)靶進行強度校核和熱應(yīng)力計算，以保證旋轉(zhuǎn)靶所受最大應(yīng)力小于其強度極限，即靶片在工作時不會發(fā)生破裂，導(dǎo)致失效。

　　1、模型建立

　　首先利用Pro/E建立靶片和外殼模型，建模時刪除對計算結(jié)果無影響或極小影響的零部件或特征，如螺栓，墊圈，小孔，倒角以及圓角等。旋轉(zhuǎn)靶中的材料主要為液態(tài)冷卻水、彌散強化無氧銅和304不銹鋼，其中流體部分為水，固體部分為銅和鋼。然后把模型導(dǎo)入ANSYS Workbench Environment 中的DesignModeler 模塊中得到旋轉(zhuǎn)靶三維幾何模型，如圖1(a) 所示。

　　運用ANSYS Workbench Mesh 對3D 對稱旋轉(zhuǎn)靶分析模型進行網(wǎng)格劃分，采用自動劃分法進行網(wǎng)格單元劃分，單元大小設(shè)置為0.003 m，劃分網(wǎng)格單元后的模型如圖1(b) 圖所示。模型網(wǎng)格劃分共劃分成842316 個單元，1426300 個結(jié)點并將結(jié)果導(dǎo)入Fluent 中進行網(wǎng)格檢查并確保無誤。

圖1 旋轉(zhuǎn)靶三維幾何模型和網(wǎng)格劃分圖

　　5、總結(jié)

　　本文對氘氚中子發(fā)生器高速旋轉(zhuǎn)靶靶片進行了溫度分布計算和熱應(yīng)力計算，結(jié)果表明靶片最高溫度可達160℃，小于200℃，能夠滿足設(shè)計要求。管壓在2 個大氣壓以下的最大應(yīng)力值均小于彌散強化無氧銅的許用應(yīng)力250 MPa，故旋轉(zhuǎn)靶結(jié)構(gòu)均能滿足強度要求，不會導(dǎo)致失效。管壓為2 個大氣壓時的最大應(yīng)力值為253 MPa，略大于彌散強化無氧銅的許用應(yīng)力250 MPa，旋轉(zhuǎn)靶結(jié)構(gòu)將不能夠滿足強度要求，會導(dǎo)致失效。