（固体力学专业论文）基于热力分析的Langmuir探针及其连接件的结构设计和优化.pdf

硕 j 论文 基于热力分析的l a n g m u i r 探针及j e 连接件的结构设汁和优化 摘要 受控热核聚变是未来能源的希望，实现它的一条重要途径是被称作托克马克装置的 磁约束核聚变途径。l a n g m u i r 探针是该装置诊断设备中的重要部件，为了使它在强辐射 强磁场的环境下不受破坏，必须对探针及其连接件的温度场和应力场进行计算分析，并 优化其结构设计方案。 本文使用有限元软件a b a q u s ，以聚变核电站内部的诊断部件l a n g m u i r 探针为研 究对象，应用热固耦合的有限元法对探针结构的温度场和应力场进行了数值模拟，并分 析了结构局部应力过大的原因，对可能影响应力大小的因素进行了对比研究。然后比较 了各种不同的设计方案，通过理论分析和数值计算选出最合理的结构设计，以确保探针 部件在工作环境下不会损坏。 关键词：l a n g m u i r 探针，受控热核聚变，数值模拟，热固耦合 摘要 硕l j 论文 a b s t r a c t t h ec o n t r o l l e dt h e r m o n u c l e a rf u s i o ni sp r o m i s i n ge n e r g yi nt h ef u t u r e ，o n ep r o m i s i n g a n dk e yp a t ht or e a l i z ei ti st h r o u g ham a g n e t i c a l l yc o n f i n e dd e v i c e - - t o k a m a k l a n g m u i r p r o b ed i a g n o s t i ce q u i p m e n ti st h ei n s t a l l a t i o no fc r i t i c a lc o m p o n e n t s ，i no r d e rt om a k ei t s t r o n gm a g n e t i cf i e l di nt h es t r o n gr a d i a t i o ne n v i r o n m e n tf r o md e s t r u c t i o n ，w em u s tp r o b e a n di t sc o n n e c t i n gp a n so ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l dc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，a n d o p t i m i z ei t ss t r u c t u r ed e s i g n t h i su s eo ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s ，t ot h ed i a g n o s i so ff u s i o nn u c l e a rp o w e r p l a n tc o m p o n e n t sw i t h i nt h el a n g m u i rp r o b ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ea p p l i c a t i o nh o t - s o l i d c o u p l i n go ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，p r o b et h es t r u c t u r eo ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s f i e l di nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n da n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fl o c a ls t r e s st o ob i gr e a s o n f o rt h a tm a ya f f e c tt h es i z eo ft h es t r e s sf a c t o r sw e r ec o m p a r e d t h e nc o m p a r eav a r i e t yo f d e s i g no p t i o n s ，t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt o s e l e c tt h em o s t r e a s o n a b l es t r u c t u r ed e s i g nt oe n s u r et h a tt h ep r o b ep a r ti nt h ew o r ke n v i r o n m e n tw i l ln o tb e d a m a g e d k e yw o r d s ：l a n g m u i rp r o b e c o n t r o l l e dt h e r m o n u c l e a rf u s i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e r m a l - s o l i dc o u p l i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：弓袤么一 砧年6 月妒日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕 ：论文 基于热力分析的l a n g m u i r 扬j 针及i f ：连接件的结构设计和优化 1 绪论 1 1 研究背景及意义 太阳犹如一个巨大的核聚变反应装置，无休止地向外辐射着能量。太阳上产生的核 聚变能是由两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核时释放的能量，产生聚变的主要 燃料之一是氢的同位素氘。在人类生活的地球上，氘广泛分布于海水中，每一升海水中 约含有3 0 毫克氘，通过聚变反应产生的能量相当于3 0 0 升汽油的热能。据测算，地球 上的海水中含有4 5 万亿吨氘，足够人类使用上百亿年，产生可控核聚变反应并利用于 发电是人类在地球上实现人造太阳的梦想i lj 。 但是在地球上实现持续的轻核聚变反应，要求相当苛刻的条件。它要求产生热核聚 变的等离子体维持足够高的温度、密度的约束时间，达到劳逊条件( 温度密度能量 约束时间，或称聚变三乘积) 。例如，实现氘一氚聚变反应的条件是：等离子体温度达2 亿度，同时粒子数密度达1 0 2 0 m 一，能量约束时间超过1 s 。在这样极高的温度下，所有 物质都变成完全电离的气体一等离子体。利用强磁场可以很好地约束带电粒子，将等离 子体约束在一种特殊称为真空室的磁容器中，并将聚变燃料加热至数亿度高温，以实现 可控聚变反应并获得聚变能【2 j 。由于实现可控聚变的条件十分可观。因此，聚变能源的 开发和应用，被认为是人类科学技术史上遇到的最具挑战性的特大科学工程。 实现受控核聚变有磁约束和惯性约束两种途径。国际磁约束核聚变研究始于1 9 5 0 年代，经历了从最初的少数几个核大国进行秘密研究阶段，到1 9 5 0 年代术的技术解密， 再到1 9 6 0 年代后世界范围内很多国家合作参与的研究阶段。在磁约束受控核聚变途径 的探索方面，也经历了从快箍缩、磁镜、仿星器等途径。从1 9 8 0 年代开始，主要集中 于以托卡马克装置为主的研究途径上1 3 j 。虽然从发展聚变堆的角度来看，托卡马克目前 仍有一些关键问题需要通过实验加以验证，公认的是只有它才具备建造实验性聚变反应 堆的基本条件。 大型的托克马克装置上拥有各种高温等离子体诊断设备，这些诊断系统除了完成常 规等离子体参数和等离子体密度、电子温度、离子温度、辐射功率、逃逸电子行为、能 量约束时间以及粒子约束时间等参数的时空测量外，还可以对难度很大的等离子体电流 分布、离子温度分布、各种不稳定性研究、杂质分布和控制、偏滤器等离子行为等物理 特性进行深入的测量研刭4 | 。 l a n g m u i r 探针是该装置诊断设备中的重要部件，它一般用来测量局部浮动电势、电 子温度、粒子流量和电子密度。由于距离聚变反应的中心很近，探针所处的往往是强辐 射强磁场的真空环境，而且尺寸相对较小。如何在周期性的强辐射场中快速散热，使探 针和散热系统绝缘并保持结构的安全性与稳定性，这就对部件的机械结构和材料选择提 l 1 绪论硕i ：论义 出了较高的要求。因此通过数值模拟等方法描绘出l a n g m u i r 探针的温度场和应力场， 对比分析并不断修正现有的设计方案以使部件结构最优化是生产制造过程中必不可少 的重要环节。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 l a n g m u i r 探针研究现状 l a n g m u i r 探针( 又称静电探针) 由于结构简易，操作方便且能在较宽的条件范围内稳 定工作，与等离子体接触式测量具有一定的空间分辩能力，在各类等离子体诊断工作中 被广泛应用。 但是，探针测量数据的解释和处理过程非常复杂是l a n g m u i r 探针诊断技术一个最大 的缺点。在很多假设条件成立的情况下，l a n g m u i r 探针经典模型已经普遍应用于实验室 真空放电等离子体。然而，大气强碰撞弱电离等离子体高压或流动的性质不满足探针经 典模型的假设条件，利用l a n g m u i r 探针诊断这类等离子体时不能按照经典模型进行数 据解释和处理，必须采用另外的理论模型。 国外在上世纪六七十年代曾对此进行过大量的理论和实验研究，经过2 0 多年的工 作，发展出针对不同条件的很多模型。 l a n g m u i r 探针连续流理论由d a v y d o v 和z m a k o v s k a j a 【5 j 最早提出，b o y d 和 z k a h a r o v a l 6 】分别得到圆柱探针和球探针的近似电流表达式，但其中含有一个不能由实验 确定的未知参数。s u 、l a m 和k i e l l 7 1 将其进一步发展，给出薄鞘层和厚鞘层的连续流理 论模型。l a n g m u i r 探针连续流理论模型广泛应用子等离子体羽流、飞行器等离子尾迹和 等离子体推进器的研究中【8 j 。 当等离子体的流动速度不能忽略时，尤其是圆柱探针与等离子体流动方向存在一定 的夹角时，必须研究流动等离子体中探针的伏安特性。此时，探针电流主要由对流效应 决定。c l e m e n t s 、s m y 和r i z v i1 9 j 等人曾对此进行深入的理论和实验研究，得出l a n g m u i r 探针鞘层对流模型。在火焰等离子体和火箭发动机尾流的研究中，曾广泛采用对流模型。 但到目前为止，国内比较缺乏这方面的系统研究，除了在试验中直接应用国外的模 型之外，没有开展过针对探针理论的专门研究。王柏鼓和曹金祥i lo j 等曾分别采用自由分 子流探针拟合模型和碰撞修正的探针c t w 理论对电弧风洞流场电特性进行诊断。二十 九基地五所张志成、陈力超和刘伟雄等采用l a n g m u i r 平面探针连续流理论在粉末激波 管中进行过很多试验研列1 1 d 引，主要包括防热材料、尾流模拟剂材料和再入诱饵复合材 料等烧蚀产物电子密度试验研究。因此，随着高压弱电离等离子体在军事上越来越广泛 的应用，系统研究l a n g m u i r 探针诊断高压或流动等离子体的理论模型和数据处理技术 有非常重要的实际意义。 2 硕i ：论文基于热力分析的l a n g m u i r 探针及j 连接件的结构设计和优化 上述各模型基本都是针对l a n g m u i r 探针的诊断功能的研究，对于探针工作环境下的 机械结构和耐热性能等却未提及。虽然l a n g m u i r 探针已经广泛应用于国内外各类托克 马克装置作为离子诊断设备，但是某些超大型聚变核电站的l a n g m u i r 探针所处的工作 环境显然更为严苛，原有的结构模型就不再适用，于是需要对探针及其连接件的结构进 行重新设计。目前此类探针的模型仍处于理论探索和概念设计阶段，还没有j 下式投入到 生产制造中，因此没有实际模型作为参考，只能通过有限元数值模拟的方法对温度场和 应力场进行计算，通过结果的分析对已有的设计方案提出修改建议。 1 2 2 有限元数值模拟发展现状 “有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三 十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化， 就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通 过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可 以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分 析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现 在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、 材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能 源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几 个方面： 1 、增加产品和工程的可靠性； 2 、在产品的设计阶段发现潜在的问题； 3 、经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本； 4 、缩短产品投向市场的时间； 5 、模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。 国际上早在6 0 年代初就丌始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正 的c a e 软件是诞生于7 0 年代初期，而近1 5 年则是c a e 软件商品化的发展阶段，c a e 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品 的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进 与扩充。这就使得目前市场上知名的c a e 软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及 对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千 上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目 前流行的c a e 分析软件主要有n a s t r a n 、a d i n a 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、 m a g s o f t 、c o s m o s 等。 1 绪论硕i ：论文 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材 料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解， 例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变( 几何非线性) 和塑性( 材料非线 性) ；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕 变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉 及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困 难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如a d i n a 、 a b a q u s 等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料 库。 有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明 这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象 的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元 方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。 例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题，需要结构场 和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即”热力耦合”的问题。而a b a q u s 等有限 元软件已经具备处理简单多场耦合问题的功能，因此在一些领域得到了广泛应用。由于 有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为c a e 软件的发展方向1 1 4 j 。 1 2 3 有限元法处理热力问题研究现状 目前国内外对于使用有限元软件解决工程上的热力问题都有大量研究，在软件的使 用方法及结果检验上都各具特色。 例如关于焊接变形和残余应力数值分析的研究，目前已经发展为一门新的专门学科 “计算焊接力学”。二十世纪七十年代初，f 1 本首先以有限元法为基础，提出了考虑材 料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，从而使更复杂的动态焊接应力应变过 程的分析成为可能；美国麻省理工学院在焊接残余应力和变形的控制方面进行了许多研 究工作，分析了引起焊接变形的金属运动；乌克兰和瑞典等国也对焊接的数值模拟进行 了研究并将研究结果用于了焊接生产中。 澳大利亚的d a v i dt a 、v n k 等人利用热机耦合理论对铁轨焊接有限元模型进行了焊 接模拟仿真，对残余应力的分布情况进行了分析。通过试验中的红外温度探测器和应力 测量仪对焊接时温度和残余应力进行了检测。结果表明用有限元的方法对焊接过程进行 模拟可以很好的预测残余应力的分布【l 5 。 一些国内科研机构也应用有限元软件完成了焊缝的模拟。大连交通大学完成了 f o r t r a n 语言和有限元软件m s c m a r c 的混合应用，模拟了提速货车构架焊接的过程，分 4 硕l ：论文 皋于热力分析的l a n g m u i r 探针及j c 连接件的结构设计和优化 析了焊接残余应力对构架变形的影响【1 6 1 ；大连交通大学的赵怀瑞用a n s y s 软件，采用 “壳到实体”、“实体到实体”子模型法分析了c w - 2 0 0 转向架构架帽筒焊不透缺陷对结 构强度的影响，得到了焊缝未焊透缺陷对结构强度的影响规律i l7 。大连交通大学的吴会 超用a n s y s 有限元软件，在对接焊缝模型上设置焊接缺陷，研究了各种缺陷对接头疲 劳寿命的影响，并与实验数据对比，证明了有限元软件对于焊接缺陷模拟的可行性。西 南交通大学的刘明等人应用a n s y s 对压力管道焊接接头的不同位置、不同尺寸条件下 的错边缺陷进行了模拟，研究了不同情况下错边缺陷对焊接接头应力集中程度的影响【i 8 】 此外，在船体强度分析过程中国内一些学者对有限元法的应用和发展也具有借鉴意 义【1 9 。2 。他们在给定船体结构温度场条件下，对船体纵向构件热应力的计算建立了一般 表达式，并对船体纵向构件热应力的计算与比较标准中的一些具体问题进行了论述。但 由于船体结构较为庞大，边界条件也十分复杂，采用解析方法很难得到其准确的温度场 及温度应力分布。对于船体结构的热一结构耦合问题，解析方法更是难以解决。 计算机及数值计算技术的发展使得有限元方法用于分析复杂边界条件和荷载条件 下的大型结构成为可能。由于能够模拟几何形状复杂的结构并易于处理各种边界条件， 有限元法己经成为解决复杂物理场问题的有效方法，是目前工程热应力分析中普遍采用 的数值计算方法。陈伯真、胡毓仁提出一种适于在船舶设计中使用的船体温度分布和温 度应力的计算方法，该方法采用变剖面薄壁梁船体模型船体的温度分布根据热传导理论 计算，船体的温度应力根据弹性理论处理平板温度应力问题的思想，并结合梁弯曲的有 限元法计算。滕晓青、顾永宁分析了双壳型船体结构在运载高温液货时的温度场。 胡毓仁，陈一帆对l n g 船球形液舱系统的温度应力进行了有限元分析，分别用基 于简化模型的解析方法和有限元数值方法，计算了货舱区域船体结构在特定液货温度下 的温度场，同时根据温度场分析结果，对货舱区域舱段结构在温度载荷作用下的响应进 行了有限元分析，并与货物压力、海水静动压力以及总纵弯矩作用下的响应特点做了比 较。其研究结果表明：对于热传递这种复杂的物理现象，即使采用大型程序进行分析， 仍需要大量的简化和假设：高温货物大幅度增加船体构件纵向应力及板格内的横向应 力，而且会加剧结构不连续处的应力集中，在船体强肋框横向强度校核中，必须计入温 度载荷的影响；槽型舱壁具有良好的释放温度载荷的能力，有利于改善其自身强度，并 减小对相连构件的作用。此后他们又运用通用非线性有限元程序a b a q u s 对单壳双底 货船舱段结构瞬态温度场和热应力进行了分析，得到了单壳双底货船舱段结构瞬态温度 场和热应力的分布规律。结果表明，基于简化的解析分析可用于设计初期结构温度场的 评估【2 1 1 。 除此之外，有限元法在处理各类热力问题过程中都有重要的作用：如在空气源热泵 热水机组压缩机密封结构设计中，合肥通用机械研究院的周到等人利用大变形、接触的 非线性有限元理论建立了空气源热泵热水机组压缩机密封结构的二维轴对称模型，据此 1 绪论 硕l ：i k 文 对影响密封性能的各结构参数进行了分析【2 2 】；西北工业大学机电学院的赵宁等人为了对 胶接接头承受热载荷时的温度场和热应力分布进行数值模拟，利用有限元法对单搭接接 头的被粘物外表面承受不同温度、速度气流时的温度分布情况进行了分析，在考虑接头 变形为几何非线性的前提下，研究了约束方式、胶层厚度及搭接长度对接头热应力分布 的不同影唰2 3 】；南京航空航天大学能源与动力学院的刘存等人利用热弹性有限元分析 法，对改型后的某型发动机第二级涡轮叶片进行了低循环热疲劳寿命分析，计算了应力 最大的部位并估算了该涡轮叶片的飞行小时寿命1 2 4 】 可见，在处理与温度场和应力场有关的很多热力工程问题中，有限元法得到了广泛 的应用，在实际问题得到解决的同时，有限元软件本身也在不断的发展和完善，使其可 以解决更多更专业的问题，在特定的领域中发挥出它巨大的作用。 1 3 主要研究内容与方法 本文的主要任务是使用有限元软件a b a q u s ，以聚变核电站内部的诊断部件 l a n g m u i r 探针为研究对象，应用热固耦合的有限元法对探针结构的温度场和应力场进行 数值模拟与分析，并改进设计方案。主要内容包括： 1 、探针及其连接件物理模型的分析。主要是从理论上分析部件的传热原理和力学 原理，详细描述探针的工作环境及边界条件； 2 、探针及其连接件有限元模型的构建。根据概念设计图，使用有限元软件a b a q u s 建立探针的同比例模型，选取适当的单元长度与类型划分网格，定义与实际情况相符的 边界条件和加载； 3 、模型温度场和应力场的分析。通过数值模拟计算出结构的温度场分布，并采用 间接耦合的方法计算出对应温度场下的应力场分布，找出应力较大的部位，分析局部应 力过大的原因； 4 、影响应力的因素分析。对可能对局部应力有影响的几个因素进行对比分析，研 究各个因素所起的所用，并以此为依据对结构的局部设计提出修改方案； 5 、各种不同的设计方案的比较。对于现有的各类不同设计方案，通过理论分析和 数值计算选出最合理的结构设计，以确保探针部件在其所处的工作环境中不会损坏。 6 竺! 堡兰兰! 至生竺塑塑! 竺! 竺堡芏苎! ! 壅堡堡塑竺塑垒生竺些! 1 2 l a n g m u i r 探针及其连接件模型的构建 本文所研究的l a n g m u i r 探引厦其连接什实例模型是超大型聚变核电站中心反应堆 附近用于离子诊断的设备，处于强辐射强磁场的真空环境中，模型较小且结构复杂，极 易被破坏，因此需要详细了解其内部结构、尺寸与周围环境的各项参数，以便进行精确 建模。同时需要对部分结构和条件进行简化，使其_ l 作状态下的温度场和成力场便于被 有限元软件模拟从而对结构的设计和改进提供直观的依据。 2 1 探针的基本结构和工作环境 2 1 1 整体的基本结构 。 ! ：k 一陌hi o “r f ，i = 甲e “斟i 辐射 面上 率墨 印高 缝性 邕2i 探针部什整体结构示意目 如图2 】所示，该探针部件整体由两个部分组成： ：边部分为上部的l a n g n u i r 探针 以及下面固结的个金埔耐热电授：右边部分为上部连接敞热水管的c f c 模块以及f 面固结的一个金属热沉。两个部分使用金属螺丰连接在一起，并在接触处通过3 个陶瓷 简保持绝缘。 2 l a n g m u i l 探针及1 e 连接件模型的构建硕j ：论义 2 1 2 热边界条件 外界的热边界条件如图，除了a 、b 面上随高度线性变化的热辐射外，在l ，2 ，3 ， 4 面( 3 面就在2 面的对面) 也有热辐射功率作用在其上，功率密度按照b 面的辐射功 率值线性地往上延伸。此外，部件的顶部还有随时间变化的热流作用，周期为4 0 0 s ，变 化规律如图2 2 所示： 图2 2 热流随时i 司的变化规律 此外，散热水管中流过温度恒定为1 2 0 0 c 的冷却液，水管内壁表面散热系数为1 0 0 k w ( m 2 木k ) ；整个部件表面向环境( 1 2 0 0 c ) 产生热辐射，表面发射系数0 5 ；部件初始温 度为1 2 0 0 c ；密度、热传导率、比热等材料属性随温度变化；在不考虑力的影响情况下， 接触面之间的接触传热系数固定为5 0 kw ( m “k ) 。 2 1 3 位移边界条件 整个结构只有水管的位置是绝对固定的，其余部分不与外界接触，因此位移不受环 境限制；除了柱形陶瓷筒和热沉之间焊接，另外两个陶瓷筒都是独立的，不与其他部位 固定；由于体积较小，因此忽略重力对结构内部应力的作用；此外螺栓在非工作环境下 ( 1 2 0 0 c ) 的预紧力为1 0 0 n ；所有接触面的摩擦系数暂定为0 2 。 2 1 4 内部结构、尺寸及各部件材料 模型内部的结构和尺寸，大致是按照下面设计草图中的标注进行设定的。每个部位 使用以下规定的材料，基本目的是使左右两个部分彼此绝缘但保持导热性能良好。 坐1 堡! 苎! ：墨! ! 竺塑塑! 竺! ! ! ! ! ：旦丝! ! 堡堡堡塑竺型垡! 竺些些 划2 3 模硝内部结构尺寸 ：l a n g m u l i 牲 * l l i f e 摇托删的拇硅 b 1 | 芏 2 4 模 各部化相对值麓车名称 1 、电极以发热沉使j | ；| 的是c u c r - z r 材料为导热性较好的金属材料： 2 、螺杆、蝶母以及弹簧挚圈材科均为l n c o n e l7 1 8 足种强度较高的金属材料； 3 、两个锥形套简a 、b 分别套在热沉的两边，圆柱形套筒c 固定在热沉内部中间 区域，使用的材料均为氧化铝陶瓷，起绝缘作用； 4 、散热水管同定在c f c 部件上，由内外两层组成外层为纯铜幽层是c u - c r - z r 材料； 5 、c f c 部件，材利为n b 3 热传导率各向异性，需要为材料定义方向乖直方向 的热传导率最大，水平方向最小： 6 、兰米尔探针，村科为石墨出于石墨的层状结构，同层的热传导率诞人十层u j 的数值，凶此使层耐碓商予蝶杆轴向。 硕l ：论文 幕于热j 分析的l a n g m u i r 探针及j 连接件的结构设计和优化 2 2 探针有限元模型的建立 2 2 1 有限元软件a b a q u s 简介1 2 5 l 模拟实验中使用的有限元软件是a b a q u s ，它可以分析复杂的固体力学和结构力学系 统，处理高度非线性问题，而该实例中就存在大量的非线性问题。 在热循环过程中，结构的温度场、应力与变形场都是与过程相关的，同时伴随复杂 的非线性现象1 2 6 】： 因此数值计算部分使用专业的有限元软件a b a q u s 来模拟这些非线性问题，以得到更 精确可靠的结果。 a b a q u s 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分 析和研究。由于其强大的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，它在各国的工业和研究中 得到广泛的应用，并且在大量的高科技产品开发中发挥着巨大的作用。 a b a q u s 主要具有以下分析功能： 1 、静态应力位移分析：包括线性、材料非线性、几何非线性、结构断裂分析等； 2 、非线性动态应力位移分析：包括各种随时间变化的大位移分析、接触分析等； 3 、热传导分析：传导、辐射和对流的瞬态或稳态分析； 4 、耦合分析：包括热力耦合、热电耦合、压电耦合、流力耦合、声力耦合等； 5 、疲劳分析：根据材料和材料的受载情况统计，进行疲劳寿命预估； 此外，还有粘弹性分析、退火形成分析、质量扩散分析和灵敏度分析等功能，可以 解决很多复杂的工程问题。 2 2 2 结构各部位模型的建立和装配 a b a q u s 有两个主分析模块：a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i c i t 。 a b a q u s s t a n d a r d ( 通用程序) 可以用来求解线性和非线性问题； a b a q u s e x p l i c i t ( 显示分析) 可以用来求解动态有限元方程，解决像冲击和爆炸这样 短暂和瞬时的动态事件以及高度非线性问题。这两种主分析模块输入文件和输出文件的 基本格式是相似的。 a b a q u s s t a n d a r d 的模块和流程如下图所示： 2 l a n g m u i r 探针及j e 连接件模型的构建硕 j 论文 l 、墼尘 l s i m u l a u o n l la b a q u s s t a n d a r di 面瓠 嗵j o b ：o 譬d b ! 岁l o b d a t , ) p o s t p r o c e s s m g a b a q u s c a e0 1 o t h e r 蚰f l w a r e 图2 5a b a q u s s t a n d a r d 的模块和流程图 a b a q u s c a e 是一个具有交互作用的图形模块，是a b a q u s 进行有限元分析的 前后处理模块。该模块先将图形形状、材料和截面特性输入，再对单元进行剖分，施加 载荷和边界条件，然后进一步将生成的模型到后台提交给a b a q u s s t a n d a r df 或 a b a q u s e x p l i c i t ) 进行分析，a b a q u s c a e 在前台予以监控，并对计算结果进行后处 理。 图中j o b i n p 是a b a q u s c a e 所产生的输入文件，是在提交给a b a q u s s t a n d a r d ( 或 a b a q u s e x p l i c i t ) 时产生的。它的修改可以在a b a q u s c a e 中进行，也可以在关键词 编辑器( k e y w o r d se d i t o r ) 中进行。j o b o d b 和j o b d a t 都是输出文件，其区别是j o b d a t 可用写字板读到；j o b o d b 文件本身不可读，但可用v i s u a l i z a t i o n 模块用图形读出。 j o b r e s 是重启动文件，j o b f i l 是一个可以进一步处理、被其它文件读人的文件。 a b a q u s c a e 含有若干个模块，每一个模块处理不同的问题。下面是经常用的几 个模块： p a r t ：构造结构的几何形状； p r o p e r t y ：定义材料特性和断面尺寸； a s s e m b l y ：装配模型； s t e p ：定义分析步骤、提出需要哪些变量输出； i n t e r a c t i o n ：定义接触面的性质 l o a d ：输入加载条件和边界条件； m e s h ：剖分单元； j o b ：将输入的文件提交给a b a q u s s t a n d a r d ( 或a b a q u s e x p l i c i t ) 进行计算； v i s u a l i z a t i o n ：用图形读出计算结果并进行后处理【2 7 】。 首先需要进入p a r t 模块对l a n g m u i r 探针及其连接件的各个部位分别进行建模。根 1 2 ! 。! ! ! 兰土兰! ! 竺竺塑! ! ! ! ! ! ! ! 堡! _ ! 竺 ! 兰堡堡塑苎塑堂生竺些些 掘实际尺寸的太小建立二维可变形性质的固体模型，即设置 3 d - d e f o r m a b l e s o l i d e x t r u s i o n 的模型类别。此外，每个部件都需要根据其几何形状标注 分割线，将较大的复杂的几何体分割为较小的规则的几何体。这样做只是为了便于以后 划分网格而不足将部件切割分离每个部件仍然是一个独立的整体。 在对探针、陶瓷简、电极、热沉等共i 己1 1 个部件分别精确建模以后，再进入a s s e m b l y 模块按照设计罔r 】的相对位置将吾个部位进行装配，使2 成为个完整的配件。装配完 成后的模型如图2 6 所示： i 利2 6 模删粘仲装配凹 2 2 3 部分模型的简化处理 为了与便建模和计算螺卡1 = 和弹簧挚嘲的模型进行了一些简化处理 蚓27 螺朴简化刿 l 、螺纹的简化：山于螺纹的应力状态并不是关心的重点，实际工程问题中馓都 可| 三【用绑定约束代特螺纹的固定效果，因此螺杆和螺母上并没有建立螺纹的模型： 2 、蝶杆顶部形状的简化：由f 该部位对计算结果接本没有影响，因此为了方便划 2l a n g m l ：i l 杯”i l a 接斗横掣蜘4 “一l 谚z 分网格蝶杆顶部坎做成了圆柱形； 3 、弹簧鹋凰的简化：弹胬斗圈原木是成定角度叟错的咧月：形结构但足在装配 后般都会压紧，变成不可压缩的圆柱体，主要日的是为了防l 【= 螺栓松动，简化方式如 罔28 所示： 卡什 鸭、螂 幽2 8 弹簧垫圈模璀阃化示意h 为了方便业模和做接触而u ，以将弹簧挚罔简化为已被儿三紧的圆柱彤结构。虽然忽 略了书圈压紧状志时的螺杆韧始预紧力，但是通过后面的讣算- 叮如对整个结椅应力场 分，f j 影响最人的是热戍力而非螺丰t 预紧力因此我们认为这种简化是台理的。 2 2 4 材料的填充 由t 述实例介绍可知，髂个结构一共涉及6 种不同的材料，分别足：氧化铝陶瓷 ( c e r a m i c ) 、铬锆铜( c u - c r - z r ) 、不锈钢材科( i n c o n e l7 1 8 ) 、复台材料( n b 3 i ) 、石毋 ( g r a p h i t e ) 和纯铜( c u ) 。 进入p r o p e r e ，, 模块分别定义这六种材料的性质。由于该模拟实验涉披传热和结构两 种分析因此至少需要为每种材抖定义以下五种属性：村料密度p 、比热容c 、热传导 率2 、线膨胀系数a 以及弹性参数( 包括泊松比“和杨氏模晕e ) 。为了简化计算，暂 时不考虑材料的塑性性质即假设所有的材料都是理想的完全弹性材科。 大部分材料的这 种性质参数都是随温度变化的螭数例如c u c r - z r 材科的热传导 率z 随温度变化的规律如下表所示： 硕i j 论文 皋于热力分析的l a n g m u i r 探针及j e 连接件的结构设计和优化 表2 1c u c r - z r 材料的热传导率随温度的变化规律 t e m p e r a t u r e ， t h e r m a i c o n d u c t i v i t y ， 。c w ，m k 2 03 1 8 5 03 2 4 1 0 03 3 3 1 5 03 3 9 2 0 03 4 3 2 5 03 4 5 3 0 03 4 6 3 5 0 3 4 7 4 0 03 4 7 4 5 03 4 6 5 0 03 4 6 5 5 03 4 7 6 0 03 4 9 6 5 03 5 1 7 0 0 3 5 6 表格中数据所满足的函数关系式为： 名：2 1lx1 0 7xt 3 2 8 3x1 0 一xt 2 + 1 3 8 1 0 1xt - i - 3 2 3x1 0 2 其中旯为热传导率，单位w m 木k ；t 为温度值，单位o c 从表格和公式可以看出，c u c r - z r 材料的热传导率五随温度的升高而增大。而其它 某些材料比如氧化铝陶瓷的热传导系数旯则是随温度的升高而减小，但比热容c 随温度 的升高而增大，如图2 9 所示： 图2 9 氧化铝陶瓷的热传导率和比热容随温度的变化规律 图中蓝色曲线是氧化铝陶瓷的比热容c ，黑色曲线是热传导系数五 将上述六种材料的五种性质均按照材料所给的随温度变化的关系，以表格的形式输 入到p r o p e r t y 模块的材料定义中，从而创建这六种不同性质的材料模型，输入形式如下： 2l s i g l l l l l i 搽* l 接件模型蜘娃 m l 论z 幽2 1 0 c u - c r - z r 材料的热传导牢丑和比热容c 在a b a q u s 中的输入形式 将材料创建完毕以后，还需要为各个部件分配材料。有些部件是由两种材料组成， 比如c f c 部件中问所固定的散热水管，就是由内外两层组成的：外层使用的材料为纯 铜，内层则是c a - c r - z r ； 图2 i 】般热水管模型倒 还有的部件使用的材料是各项异性的，需要为材料分配方向，l t 女i l 探针的材料石墨 和c f c 部件的材料n b 3 l ，都是各向异性的。 根据不同方向上热传导率的大小，为c f c 部件的材料定义如下方向： 唧如轴啪啪瑚黝如鳓蝴伽舌|卿啪哪御 叫m啪啪哪啪珊啪卿喜|香|啪啪瑚 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 塑竺型! ! ! ! ! ! ! ! - ! ! ! ! ! ! ! 图21 2 包禽材料方向硷定的c f c 部仆模艰幽 其中。y 方向的热传导率虽太，z 方向的最小因为绝大部分的热流束自1 。y 方向， 按这种方式分配能够起到史有教的传热作用。同理由石墨构成的l a n g m u i r 探针部件 也是以此为幕本原则分配材料方向的。 2 2 5 网格的划分 对于有最元分析柬说，网格划分是其中非常关键的一个步骤，网格质量的优劣将 直接影响到计算的精度和速度删如果网格的划分方式不恰当，甚下无法f 常计算从而 导致程序出错。 进入m e s h 模块为各部件划分网格之睢，需要先定义单元的类型。山f 陵模拟实验 首先进行的是传热分析孙j t 定义模型的单7 类型为d c 3 d 8 ，即三维热传导竹元。限 单元具有x 、y 、z 三个方向的热传导能力包含8 个节点，且每个节点上h 有温度自由 度，可用于三维静态或瞬态的热分析，实现匀速热流的传递。而在后面的结构分析中， 需要将单元类型仝部修改为c 3 d 8 1 ，即三维结构分析单元，这足结构分析中较常用的三 维单元，也是由8 个节点组成的六面体单元，每个节点的自由度也有x 、y 、z 位移方向 二个自由度。 接下来使用s e e d 功能定义单元平均尺寸，它的优点是可以在需要剐格细化的部位单 独设定单元尺寸。由丁该探针模型的结构尺寸较小，因此单元平均尺j j 大小定义为1 m m ： 而一些重要的部位比如陶瓷筒和电极前端与陶瓷筒接触的韶分。单元尺寸设定为 0 5 m m 这是为了更精确的描述这些部位的温度场和应力场。 单元尺寸确定以后划分网格的密度也就确定了，下面就选择合适的方式束为各个 部件划分网格。在胁面的建模过程中，每个部件都被分割线划分为若干个规则的几何体， 这是为了给这些船件不同的部位分别选择最适合的网倍划分方式从而提商网格划分的 质量。在a b a q u s 中阿格划分的方式一般有以下几种： 17 2l a n g r m ：r ：* j e 吐接件幢型的构挫 ( 1 ) 自由网格划分( f r e e ) 是自动化手譬度最高的网格划分技术之一，对实体模型无 特殊要求对任何形状的几何模型都可以进行网格划分不需要遵守什么特定的准则。 所用的单兀彤状取决于对象是面还是体，如果是面的话，可以选择四边形单元，也可以 选择三角形荦元或足这两种单元的混合使用；对于自由体网格一般限定单元类型为四面 体性质。这种网格划分的方法省时省力，但缺点是单元数阜通常会很大，降低计算效率， 因此改实例中并没有采用这种网格划分方式。 ( 2 ) 结构式j 卅格划分( s t r u c t r u r e d ) 要求实体模型的形状是规则的，而且必须遵循 定的准则，这种划分方式类似于a n s y s 里的映射网格划分法( m a p p e d ) 。对于结构式面 网格，只包含四边形或三角形单元，不能是两者的结合；结构式体网格只包含六面体单 元。这种网格划分方式的结果使单元都成排规则排列，不但外观整齐而且计算效率较高， 是对规则几何体较理想的网格划分方式。在经过分割以后，实体模型的各个部分基本都 是规则的几何体，因此大部分部件的模型都是以这种方式柬划分网格的，比如陶瓷筒、 c f c 部件等，网格划分结果如图21 3 所示： a 1 陶瓷简b ) c f c 部件 幽21 3 结构式网格划分结果示意目 ( 3 ) 扫略网格划分( s w e e p ) 是对于通过对面元素进行拖拉、旋转、偏移等方式生 成的三维实体而i 的。生成扫略删格的方法有两种：一种是现在原始面上生成二维的面 网格，然后在生成体的同时自动形成三维实体网格：另一种是先生成二维实体模型，如 果该体元在某个方向上的拓扑形式始终保持一致则用扫略网格划分功能直接对其进行 网格划分。这种网格划分方式得到的般都只能形成六面体网格。通常，对于复杂几何 实体模型，扫略方式形成网格是一种非常好的方式，比结构式网格具有更大的优势