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生的中子源，可在聚變核能?中子反應堆裂變核能?軍工國防?石油測井?地雷探測?透視檢查等領域得到廣泛應用?旋轉靶是氘氚中子發(fā)生器的關鍵部件 [1]?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，且旋轉靶由于高速旋轉和外力作用，必然會發(fā)生一定的變形，由于靶片含氚量較高，因此必須對旋轉靶進行強度校核和熱應力計算，以保證旋轉靶所受最大應力小于其強度極限 [2-3], 即靶片在工作時不會發(fā)生破裂，導致失效?

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?然后把模型導入 ANSYS Workbench Environment 中的 DesignModeler 模塊中得到旋轉靶三維幾何模型，如圖 1 (a) 所示?

運用 ANSYS Workbench Mesh 對 3D 對稱旋轉靶分析模型進行網格劃分，采用自動劃分法進行網格單元劃分，單元大小設置為 0. 003 m, 劃分網格單元后的模型如圖 1 ( b) 圖所示?模型網格劃分共劃分成 842316 個單元，1426300 個結點并將結果導入 Fluent 中進行網格檢查并確保無誤?

2、受力分析

旋轉靶靶片工作時主要受到兩個外力作用，分別為靶片高速旋轉時所產生的離心應力和冷卻水所產生的水壓力?

靶片高速旋轉時所產生的離心應力可表示為

式中，ρ 為密度，\(\omega 為圓盤的角速度，μ 為材料泊松比，R 為圓盤外徑。 對于靶片所受的水壓，可利用伯努利方程進行計算

式中p1、v1、h1和p2、v2、h2分別表示進出口壓力?流速、相對基準面高度，g 為重力加速度，ρ 為水的密度，hL為壓頭損失?由于水流進出口位于一個平面上，所以 h1=h2。 

壓力損失 hL可利用式 (3) 進行計算，即

式中，

為相連接的管道各段的沿程損失總和，

為管道中所有局部損失的總和，

其中L、d、v、ξ、γ分別為管道長度?直徑 (當量直徑) ?通過局部裝置后的平均流速?局部阻力系數(shù)?沿程阻力系數(shù)?

3、旋轉靶溫度分布

為進行旋轉靶熱應力分析，必須先計算出其溫度分布?本文的旋轉靶熱應力分析是基于 ANSYS Workbench Fluent 13. 0 進行的 [3-6], 其中靶片直徑為 320 mm, 繞中心轉軸旋轉轉速為 1000 r/min, 束斑直徑為 10 mm 的氚束轟擊到氚鈦膜上?將 Fluent 的溫度分布分析結果導入至 ANSYS Mechanical 中，得出溫度分布如圖 2 所示?從圖中可看出最大溫度分布在圓環(huán)區(qū)域的加熱受熱點，最高溫度為 160. 20663℃, 低于 200℃, 滿足設計要求 [1]?

4、旋轉靶熱應力分析

將 FLUENT 計算出的溫度分布提取出來，并將之作為溫度載荷引入至 ANSYS Mechanical, 利用間接熱分析法進行熱應力分析?計算過程中將溫度作為已知量加載到各節(jié)點處，故不存在傳熱現(xiàn)象? 旋轉靶熱應力分析可以分成兩個部分，一是不考慮管壓下的熱應力分析；二是考慮管壓下的熱應力分析?為了保證冷卻水相對于大氣壓下要能出流，必須考慮入口冷卻水的實際壓強，由管壓差可知必須保證實際壓強值約大于 0. 121 MPa, 為了保守估計，故分別考慮 1. 2,1. 3,1. 4,1. 5?2 個大氣壓 ( 1 個大氣壓\(=1.01 ×10^{5Pa) 下的熱應力分析?整個流道中壓降相對于大氣壓并不大，因此考慮管壓時，在整個流道中分別對以上壓強值的管壓下進行旋轉靶的熱應力分析，分析結果如下?

4.1 不考慮管壓下的熱應力分析

由圖 3 (a) 可知，最大位移在受熱圓環(huán)上的受熱點處，為 0. 0180 mm, 變形量很小?由圖 3 ( b) 可知，旋轉靶最大應力主要分布在加熱區(qū)域上，靶片最大等效應力值為 131 MPa, 小于彌散強化無氧銅的許用應力 250 MPa, 認為旋轉靶結構能夠滿足強度要求，不會導致失效?

4.2 考慮管壓下的熱應力分析

對管壓在 1. 2,1. 3,1. 4,1. 5,2 個大氣壓下的旋轉靶進行熱應力分析，分析結果如圖 4 所示?

上述各圖可看出，銅靶最大應力處發(fā)生在不銹鋼夾緊處，各管壓下的最大應力與最大位移如表 1 所示?

表 1 不同管壓下最大應力及最大位移

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

從表中可看出，管壓在 2 個大氣壓以下的最大應力值均小于彌散強化無氧銅的許用應力 250 MPa, 故旋轉靶結構均能滿足強度要求，不會導致失效?管壓為 2 個大氣壓時的最大應力值為 253 MPa, 略大于彌散強化無氧銅的許用應力 250 MPa, 旋轉靶結構將不能夠滿足強度要求，會導致失效?從上述各總位移分布云圖可以看出，靶片中心處有很明顯的凸起且隨著管壓的增大而增大，管壓為 2 個大氣壓時的最大位移為 3. 292 mm?

5、總結

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

參 考 文 獻

[1] 姚澤恩，陳尚文，蘇桐齡，等。高速旋轉氚鈦靶系統(tǒng)設計和靶溫度的數(shù)值模擬 [J]. 核技術，2004,27 ( 10) : 787 -790

[2] 宋逢泉。強流氘氚中子發(fā)生器直流束線與氚靶系統(tǒng)關鍵技術研究 [D]. 合肥：中國科技大學，2013:47 -53

[3] 羅順忠，楊本福，龍興貴。中子發(fā)生器用氚靶的研究進展 [J]. 原子能科學技術，2002,36 ( 4 /5) :290 -295

[4] 江 帆，黃 鵬.FLUENT 高級應用與實例分析 [M]. 北京：清華大學出版社，2008:9 -15

[5] 宋學官，蔡 林，張 華.ANSYS 流固耦合分析與工程實例 [M]. 北京：中國水利水電出版社，2012:14 -15

[6] 曹文鋼，展 亮，曹昌勝，等。氚鈦靶系統(tǒng)靶溫升瞬態(tài)分析的方法研究 [J]. 真空科學與技術學報，2014,34 ( 6) :575 -578

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