高速旋转氚钛靶系统热应力分析

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 [1]｡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 [2-3], 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｡

2、受力分析

旋转靶靶片工作时主要受到两个外力作用，分别为靶片高速旋转时所产生的离心应力和冷却水所产生的水压力｡

靶片高速旋转时所产生的离心应力可表示为

式中，ρ 为密度，\(\omega 为圆盘的角速度，μ 为材料泊松比，R 为圆盘外径。 对于靶片所受的水压，可利用伯努利方程进行计算

式中p1、v1、h1和p2、v2、h2分别表示进出口压力､流速、相对基准面高度，g 为重力加速度，ρ 为水的密度，hL为压头损失｡由于水流进出口位于一个平面上，所以 h1=h2。 

压力损失 hL可利用式 (3) 进行计算，即

式中，

为相连接的管道各段的沿程损失总和，

为管道中所有局部损失的总和，

其中L、d、v、ξ、γ分别为管道长度､直径 (当量直径) ､通过局部装置后的平均流速､局部阻力系数､沿程阻力系数｡

3、旋转靶温度分布

为进行旋转靶热应力分析，必须先计算出其温度分布｡本文的旋转靶热应力分析是基于 ANSYS Workbench Fluent 13. 0 进行的 [3-6], 其中靶片直径为 320 mm, 绕中心转轴旋转转速为 1000 r/min, 束斑直径为 10 mm 的氚束轰击到氚钛膜上｡将 Fluent 的温度分布分析结果导入至 ANSYS Mechanical 中，得出温度分布如图 2 所示｡从图中可看出最大温度分布在圆环区域的加热受热点，最高温度为 160. 20663℃, 低于 200℃, 满足设计要求 [1]｡

4、旋转靶热应力分析

将 FLUENT 计算出的温度分布提取出来，并将之作为温度载荷引入至 ANSYS Mechanical, 利用间接热分析法进行热应力分析｡计算过程中将温度作为已知量加载到各节点处，故不存在传热现象｡ 旋转靶热应力分析可以分成两个部分，一是不考虑管压下的热应力分析；二是考虑管压下的热应力分析｡为了保证冷却水相对于大气压下要能出流，必须考虑入口冷却水的实际压强，由管压差可知必须保证实际压强值约大于 0. 121 MPa, 为了保守估计，故分别考虑 1. 2,1. 3,1. 4,1. 5､2 个大气压 ( 1 个大气压\(=1.01 ×10^{5Pa) 下的热应力分析｡整个流道中压降相对于大气压并不大，因此考虑管压时，在整个流道中分别对以上压强值的管压下进行旋转靶的热应力分析，分析结果如下｡

4.1 不考虑管压下的热应力分析

由图 3 (a) 可知，最大位移在受热圆环上的受热点处，为 0. 0180 mm, 变形量很小｡由图 3 ( b) 可知，旋转靶最大应力主要分布在加热区域上，靶片最大等效应力值为 131 MPa, 小于弥散强化无氧铜的许用应力 250 MPa, 认为旋转靶结构能够满足强度要求，不会导致失效｡

4.2 考虑管压下的热应力分析

对管压在 1. 2,1. 3,1. 4,1. 5,2 个大气压下的旋转靶进行热应力分析，分析结果如图 4 所示｡

上述各图可看出，铜靶最大应力处发生在不锈钢夹紧处，各管压下的最大应力与最大位移如表 1 所示｡

表 1 不同管压下最大应力及最大位移

Tab． 1 Dependence of the maximum stress and displacement on the pressure

从表中可看出，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｡从上述各总位移分布云图可以看出，靶片中心处有很明显的凸起且随着管压的增大而增大，管压为 2 个大气压时的最大位移为 3. 292 mm｡

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｡

参 考 文 献

[1] 姚泽恩，陈尚文，苏桐龄，等。高速旋转氚钛靶系统设计和靶温度的数值模拟 [J]. 核技术，2004,27 ( 10) : 787 -790

[2] 宋逢泉。强流氘氚中子发生器直流束线与氚靶系统关键技术研究 [D]. 合肥：中国科技大学，2013:47 -53

[3] 罗顺忠，杨本福，龙兴贵。中子发生器用氚靶的研究进展 [J]. 原子能科学技术，2002,36 ( 4 /5) :290 -295

[4] 江 帆，黄 鹏.FLUENT 高级应用与实例分析 [M]. 北京：清华大学出版社，2008:9 -15

[5] 宋学官，蔡 林，张 华.ANSYS 流固耦合分析与工程实例 [M]. 北京：中国水利水电出版社，2012:14 -15

[6] 曹文钢，展 亮，曹昌胜，等。氚钛靶系统靶温升瞬态分析的方法研究 [J]. 真空科学与技术学报，2014,34 ( 6) :575 -578

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