（机械电子工程专业论文）直线加速器同轴负载的热分析与优化设计.pdf

中圜乖l 学技术人：学帧卜学位论文 摘要 低能i 苛功率( 1 0 k w ) 电子直线加速器已广泛应用于食品灭菌、保鲜、医疗器械 及医疗用品消毒灭菌、材料改性及其制备、大金属构件无损探伤等领域。应用领域的 不断扩展，要求有更灵巧、轻便的小型加速器。 加速管是电子直线加速器的核心部件，由于同轴负载不仅能够保证产生性能优异 的电子束流，而且使加速管结构紧凑，使加速管的小型化成为可能。这对于应用越柬 越广泛的电子直线加速器具有重要意义。同轴负载需要有性能可靠的微波吸收材料吸 收剩余微波功率，因此研究k a n z h a l 合金热喷涂层的性质和传热行为以及对加速管的 温度场和热变形的影响有重要的意义。 本课题应用i d e a s 软件t m g 模块对单个加速腔( 阑片、单腔、四个腔) 模型进 行了有限元建模，利用实验得到的k a n z h a l 合金涂层物性参数，模拟了同轴负载腔的 传热过程，并得到了其稳念温度场。同时，就k a n t h a l 合金涂层的厚度、内径、外径 等尺寸参数对加速腔温度场的影响进行了分析与优化，得到了最优的涂层尺寸参数。 分析结果表明涂层的厚度应在已达到趋肤深度的前提下尽量薄。 存以上分析的基础l ，结合3 6 8 k w 的组高微波功率损耗，对实际使用的四个 同轴负载腔组成的加速腔段的温度场和变形情况进行了模拟。并且通过改进涂层尺寸 参数和水流冷却的方式，进行了优化计算，计算结果表明，将轴向进水方式改进为径 向入水方式，减小同轴负载腔尾部铜块的长度和加速腔壁厚的方式；得到了最大温差 在3 以内的温度场结果，达到了设计目标。 最后列本课题的进展进行了总结并对进步研究提出了一点想法。 关键词：直线加速器；k a n t h a l 合会涂层；有限元；热分析；i - d e a s 中阐科学投术人学坝l 。学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o nl i n e a r a c c e l e r a t o r ( l i n a c ) h a sv e r yt r e m e n d o u sa s d e c t so f a p p l i c a t i o n s t h et y p i c a lo p e r a t i o no fat r a v e l i n gw a v ee l e c t r o nl i n e a ra c c e l e r a t o r r e s u l t si nr e m n a n tr fp o w e ra p p e a r i n g a tt h et e r m i n a t i o no ft h ea c c e l e r a t o r s t r u c t u r e t h i sp o w e rc a nb ee x t r a c t e db yc o l l i n e a rj o a d = t h ec o l l i n e a rl o a dw h i c h h a se x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r i n gt y p i c a lo p e r a t i o n sc o n s i s t so ff e w d i s k l o a d e dc a v i t i e sc o a t e dw i t hh i g h r e s i s t a n c eo nt h ei n s i d ew a l l s i t s s i g n i f i c a n t t or e s e a r c ht h ek a n t h a la l l o yc o a t i n g sp r o p e r t i e sa n dh e a tt r a n s f e r p r o c e s s i nt h i s p r o j e c t ，i - d e a st m gs o f t w a r ei s a p p l i e df o rs p a c e r ，o n e c a v i t , f o u r c a v i t ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt h ep r o p e r t i e so fk a n t h a la l l o yc o a t i n ai s m e a s ur e d t h r o u g he x p e r i m e n t sa n dd a t a a n a l y s i s ：t h ed i f f e r e n td i m e n s i o n p a r a m e t e r so fc o a t i n gs u c ha st h i c k n e s s ，i n n e rd i a m e t e ra n do u td i a m e t e ra r e a n a l y z e da n do p t i m i z e db yt h ef e ms i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s t h e t h i c k n e s so fc o a t i n gs h o u l db er e d u c e da n dp o w e rl o s s e ss h o u l d b ea b s o r b e d w e l l p r o p o r t i o n e d 0 nt h eb a s i so fa n a l y s i sm e n t i o n e da b o v e ，w i t has e r i e so f3 6 8k w h i g hp o w e r l o s s ，f o u rc a v i t i e s t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ld i s t o r t i o na r ec a l c u l a t e d t h e c o o l i n gm e t h o di si m p r o v e da n dt h ep a r t i a ls t r u c t u r eo fa c c e l e r a t o rt u b ei sm o d i f i e d ih et e m p e r a t u r ei n c r e m e n to fp o s i t i v e m i n u s3 d e g r e e si so b t a i n e dt h a tr e s u i t m e e t st h ed e s i g no b j e c t i v ew e l l t h ee n do ft h i st h e s i s s o m er e v i e wa n d s u g g e s t i o n sa r ep r o v i d e d k e yw o r d s ：l i n a c ；k a n t h a la l l o yc o a t i n g ；f e m ；t h e r m a la n a l y s i s ；i d e a s 中田乖i 学技术人学坝1 学位论文 第一章课题背景与研究意义 11 辐照加速器及其应用 低能高功率( l o k w ) 电子直线加速器已在食品灭菌、保鲜、医疗器械及医疗j 刳品消毒灭凶、 材料改性及其制备、人金属构什无损探伤等领域得到j 泛应用。 值得强调的是，近年的研究发现，在发达国家有近1 3 的人感染食源性疾病，发展中国家 这现象更为严重。闻此确保食一铺安全己成为人类要解决的重要课题之一。近四十年的研究发现， 对食t 铺进彳了辐照处理是确保食，铺安全的最有效的手段。鉴于钴源被废弃时的处理给环境带来严重 影响，冈此研发人功率( l o k w ) 低能( 1 0 m e v ) 电子束辐照装置并逐渐取代钴源对食品等的辐 照处理已是人势所趋。美国、俄罗斯、比利时、韩国己研发了l o k w 以上的这类加速器。我国原 f 能研究院，高能圻，j 波超能科技股份公司以及中国科学技术犬学也已赴丌制出这类加速器，其 c i 。波超能科技股份公i ! 利中国科学技术尺学研制的辐燃加迷器分别在浙江余姚 l i 河南漯河延 营，州下食品等产品的辐 ! = l 。随着食品贸易全球化，原料、产品加工异地化，食品安全问题更为 严重，因此这类加速器的需求就更大，但上述的加速器的剩余功率( 除科人研制的辐照装置外) 均是采州常规方式，即将剩余功率通过耦合器馈入波导吸收负载加以吸收。致使这类加速器不仅 结构复杂，而且不紧凑，特别是使聚焦线罔的装卸极为困难。为此，需研制可直接安装在加速管 末端的吸收负载，以使该类加述器小型化，且安装检修方便。从2 0 0 1 年开始了这研究，先后 研制了5 0 0 w 同轴吸收加速结构以及25 k w 同轴吸收负载同加速器一体的加速结构( 详见原子能 岍宄院鉴定1 和3 5 k w ，8 l o m e v 辐照加速器鉴定文件) 以及x 一波段同轴吸收负载同加速结构 一体化的加速结 = ! j 。但是研制的带同轴负载的加速器在同轴吸收负载吸收25 k w 以i $ j j 余功率时 能：常运行，一口功率超过3 k w 时，加速腔的溻度分布就很难控制在3 。c 的范同内。而经验让 明，柬流正常运行的条f q 是将加速管温度分布控制在3 。c 以内。 冈此，为进一步解决人功率同轴负载的功率限制，微波吸收材料以及由此材料作为微波功率 吸收体的同轴负载的加速结构己成为必需攻克的课题。 电子直线加速器以直线形式加速屯子，是电子加速器中主要的一种类拟，它与静电加速器和 直线电子感应加速器的不同主要在于采的是射频场加速电子。电子_ 卣- 线加速器有两种基本形 式：驻波型平行波艰( 本文只涉及行波l 电子强线加速器) 。行波电子直线加速器，电子处丁- - 9 7 波 场中，不断受剑行波场的加述，能量逐渐增加。经过加速管屙的微波剩余功率，通过输出耦合器， 真空窗，在吸收负载上傲吸收掉，吸收的热量被外部的冷却水流带走。吸收负载上功率的人小与 加迷器的i ? 竹：状态有天，对某些强流电子直线加速器波导本身的衰减很少。慢流电子求就有可能 中周科学技术人学坝i 学位论殳 在相何凋檠得不止确的情况f 将很大一部分功率反向转移给波导，引起负载的高频击穿，当束流 很弱时吸收负载需要承受很大的剩余功率。该吸收微波剩余功率的方法称为波导式干负载。另一 种吸收微波剩余功率的方法为同轴干负载。同轴干负载是在加速管后部增加若干附加加速腔，其 山肇表面涂有能够高效吸收微波的材利。经过适当选择的涂层材料，同轴干负载比波导式干负载 有许多优点：同轴干负载不会显著降低负载中的聚焦磁场，而且由丁负载本身构成加速段的一部 分，电子在其中还有一定的能髦增豁。不仅结构简单紧凑，消除了输出耦台器俐有的场1 i 对称引 起的释向扰动，而且便丁安装聚焦线圈。对一些能耸较高的加速器特别是强流电子直线加速器 也有府h 。加述管的典掣结构如幽1 1 所示。 幽1 一l 加迷管的结构示意幽 f i e1 1s t r u c t u r eo f a c c e l e r a t o rt u b e 微波吸收材料f 6 多，选择k a n t h a l ( f e c r - a i ) 合金是因为其具有良好的真空平微波性能，在 囊空条rk a n t h a l 合金涂层的山气率很低( 】e 1 0 p a l s c m 2 ) 。 1 3 1 1 15 j 冈为在加速器中需要保持良 蚶的真空，减少与气体分子碰撞而引起的电子来流的强度的损失和高频放电。通常真空度希望优 丁l e - 5 托。所以，加速管所刚材料必须具有良好的真空性能。 由r 涂层的制造i 艺采用的是火焰热喷涂技术，所以k a n t h a l 合金热喷涂层表面粗糙，延 乏 了表面电流的远行路径有利丁能量的损耗。其微波吸收能力的有关参数有表面电阻率和趋肤深 度。其中涂层表面的山岸目率月。为： 趋肤深度j 为： 占= 一! 七兀 u o ( 1 2 ) 其中：f 为【作频率，为磁导率，盯为电导率 表面电阻率高意味材料具有较高的吸收微波性能。式1 1 表示较高的磁导率利较低的电导率可以 2 浮 中困科学技术入学坝1 学位论文 形成较高的电阻率。式卜2 表示涂层必须具有的最小厚度。否则表面电流将不在涂层内部生成， 起不| j 吸收微波的作川。但是，涂层厚度也不宦过厚。因为过厚的涂层将带来一系列问题。厚涂 层的传热性很低，有可能导致涂层局部高温，严重影响频率特性。另外，涂层内部的残余鹿力住 l 忭中逐步释放会引起涂层的剥落。同时，火焰喷涂【：艺很难精确控制涂层厚度，所以涂层的片 度必须梢人r 趋肤深度。通常趋肤深度为3 0 6 0 u m ，实际涂层悍度约1 0 0 u r n 。通常使川q 值( 品 质冈数) 米表征各高频腔的微波功率的损耗情况，在加速腔希望q 值高，微波损耗小，在负载脯 希望q 值低尽晕消耗剩余微波功率。通过改变涂层表面积能够调节q 值的火小，使得各负载腔 的功率损耗相同。【2 1 1 3 1 4 1 电f 直线加速器的的作频率对加速管几何形状和i 尺寸的变化极其敏感。加速腔的尺寸误筹 利形位误筹导致频率的偏移利电子寐流的相移，也使加速场的振幅发生变化。温度场对加速腔频 率有同样重要的影响，i 要也是风为温度的变化使腔的尺寸改变而导致谐振频率的变化。所以加 迷管需要一个恒温系统。恒温系统的参数有：温升，温度稳定度，温度梯度。一般要求睦时间温 度稳定度要求o1 ，短时间要求00 1 ，满功率运行时加速结构的温升为5 ，水的温升为 4 c ，温度梯度为6 6 c 。由此可览对加速管的尺寸和形状改变的要求是苛刻的。 但是有关加速管的濡度计算表明，同轴负载部分的加速腔的温度场很雄满足上述要求。同轴 负载分配的剩余功率远大丁其他加速腔，k a n t h a l 合金涂层导热系数较低，所以在同轴负载段可 能会出现较高的温度梯度。 k a n t h a i 合金热喷涂层本身也将引入复杂的频率影响因素。k a n t h a l 合金热喷涂层的成形温度 很高( 约j 5 0 0 c ) ，由于火配席变和温度梯度导致涂层和基体的变形会严重导致谐振频率的漂移。 由= i 影u 自的田素很多，有机械制造的误著，装配焊接引起的变形，温度变化引起的变形等等。 所以对零部件片面要求过高的制造公差既不可能也不必要，实际上总是对误蔫进行补偿弄调、 以 达剑所需要求。 1 2 国内外研究动向 j 上肚纪 _ 十年代初电子直线加速器问世以米，剩余高功率微波吸收负载已是行波电f 商线 加速器的关键剖什之一。为更女r - t 0 1 l 吸收行波加速结构的剩余功率，已研制出各种类型的吸收负载， 如水吸收负载，不同结构的干吸收负载等。现在一些微波器件公司可提供数千瓦的方波导型干吸 收负载。上述这些州下行波加速器的负载，均是通过输出耦合器将加速器中的剩余微波功率输出 剑钋加的吸收负载进行吸收的，其中一些负载是作为功率源环行器反射臂的吸收负载。这些负载 对真空度翌求不高，有的是以陶瓷窗隔开充入高压气体。但近十年发展起来的x f e l ( x 一射线白 由l h 子激光) 币e r i 。( 能量同收直线加速器) 等要求直线加速器的柬流强度很高( 数白安培以上) ， 束流脉冲极短( p s 蛄级、t o o l s 鼙级) ，这些短脉冲粜流通过任倒不连续肇的求流管道都将激励 起高次模电越场，致使束流发散度增k ，管艟发热等。另外，在e + e 一电子储存环中，高频腔也会 被求流激励起高玖模电磁场，致使求流不稳定，最人储存流强闽值降低等。所有这些都需研制能 直接安放在超高真空中的微波吸收材料来抑制高次模。国外一些实验室，如美国康奈尔大学，日 本光子1 厂等止在开展这方面的研究，他们分别削铁氧体、碳化砖以及氮化铝( a i n ) 陶瓷等。 中国科人国家同步辐射实验室也在开展抑制高频腔中高次模的研究。 为适应束流功率达2 0 k w 的辐照加速器的要求及适应能直接放入超高真空室的要求，必须寻 求具有良妒陆能的微波吸收材料，并对微波吸收材料的制备l 。艺、物性、机械性能参数进行详尽 的研究，只有这样，才能进行同轴负载设计( 微波腔体、冷却结构等参数) 和相关的研究。目前 f m 界l 二涉及上述的研究结果及累积的数据( 包括已积累的研究成果) 还不充分。冈此，寻求具有 更女，微波特性、真空性能以及机械性能的微波吸收材料及其制各l 艺十分必要。 在实验研究中发现以热喷涂i 艺生成的微波吸收材料，如k a n t h a l 合金涂层具有多孔材料的 特性，其密度、导热系数、弹性模鼍等物性参数与涂层的厚度相关，这是以往的研究报告中术见 报道的。l 习此，材料的制备t 艺、材料物性参数与其制成的同轴负载的特一1 生2 _ 1 目的关系有待进一 步的研究。 国内外在研究材料物性时使川均匀化理论( h o m o g e n i z a t i o nt h e o r y ) ，建立具有复杂微细结构 材料的力学模璎，进行材料的多尺度分析( m u l t i s c a l ea n a l y s i s ) ，已有许多成功应川的先例。国 内如中科院数学与系统科学研究院用均匀化方法研究了材料物性的多尺度关联，并采州了有限元 数值模拟t 中国利技人学开展了金属基纳米复合材料等效弹- | 生模量的均匀化方法数值模拟的1 口f 究，人迮理l 。人学府川均匀化理论研究了复合材料弹性性能尺度效席，北京理j ：人学府j = j 力学系 应刚均匀化理论结合缅观力学开展了非均匀微极介质的有效性质分析研究。 以此利料及其制各。i 艺为基础研制适应2 0 k w 柬流功率辐照加速器需要的同轴吸收负载，可 人人简化加速器的结构硐 安袈i 艺，使该类加速器小犁化，这对推广这类加速器的席用具有重要 经济意义* i l t 会意义。 1 3 本课题的研究内容 为了实现高功率商线加速器同轴负载的设计，有必要研究k a n t h a l 合金涂层在对加速管的温 度场产生的影响平相麻的热变形。本课题的士要任务是使_ l 成熟的有限元分析软仆对同轴负载腔 的濡度场进行数值模拟。在此基础上进一步分析热变形、热席力。通过故进冷却方式，以期设计 d 中因科学技术人学顺卜学位硷文 出高功率怙况l 、的同轴负载尺寸参数。 直线加速器同轴负载的数值模拟涉及到多个学科，其中包括：机械设计、电磁学、传热学、 流体力学、有限元方法等。本文的土要内容有如h l 个方面： ( 1 ) 涂层的建模与物性参数的确定 涂层的合理建模方式烂数值模拟成败的关键，物性参数是有限元分析的基础。 ( 2 ) 基r 阑片的涂层尺寸参数分析 利_ f _ 阑片为模砸，对涂层的厚度、内径、外径尺寸进行分析。 ( 3 ) 单腔的涂层内彳寻= 尺寸优化 利刖单个同轴负载腔的模玳，对涂层的内径尺寸参数进行优化。 ( 4 ) 四个脏的涂层尺寸优化 利h j 实际使h j 的四个同轴负载腔的模型，对涂层尺寸参数进行计算仿真并进一步优化设计， 给出比较结果。 ( 5 )冷却方式的改进 改进水冷方式，使同轴负载腔的温著降低至设计目标内。 住文章的最斤，对本课题剑目前为r 的进展情况进行了总结，并且对f 一步的研究l ：作提出 了一点建议。 第二章理论基础与软件介绍 2 1 传热过程中的有限元法 211 崮体导热俪微分万程和傅立口十定律 住传热学中，已经洋细地推导出具有内热源和瞬态温度场的同体导热微分方程。这里不再推 导，只把有关结果列出如f ： 对r 平面问题，方稃的形式为 c g 甜t 孵k ( 。o 萨e t + 矿0 2 t + 警 - ， 式中， 。c 为物体的瞬态温度： t s 】为过拌进行的时间： k i w ( m 。c ) 为材料的导热系数，作常数处理； p l k g l m 3 为材料的密度，作常数处理： c ， i ，( 姆。( 1 ) 为材料的定压比热，作常数处理； qi w ， 3 为材料的内热源强度，作常数处理： x 叫矛眇 m 为直角坐标。 对丁轴对称问题，方稃的形式为 3 t k i o - t + 土r 竺o r 十窘+ 纠 c z - z ， 式中，r 叫和z m 分别为、r 径和对称轴。 傅立叶定律是导热理论的基础。傅立叶定律的向量表达式为 孑= - kg r a d t ( 2 。3 ) 式中，孑 m 2 为热流密度，是一个向量； g r a d t 。c ，m 】成为温度梯度，也是一个向餐。 式中的负号表示孑f l , q 7 y i 始终与g r a d t 的方向相反。( 2 3 ) 式在数学场论中利朋梯度和散度 中压l 科学投术人学f l j j ! 卜学位论史 c 3 t 钆2 一e _ o x a t q 2 一r _ c n ， 。a t 吼2 一e = 一 册 ( 2 - 4 ) 21 2 边界条件和初始条件 为了得剑俐体热传导偏微分方群的唯一解，必须附加边界条佴- 利初始条什，统称为定解条t ，微分方科联i ：求斛。本课题求解稳定温度场，所以这里只介绍二类边界条r l ：。【6 蚓2 一l 温度场的边界条件 f i g2 - 1b o u n d a r yc o n d i t i o n so f t e m p e r a t u r ef i e l d 如图2 - 1 所示，第一类边界条件是指物体边界上的温度函数为己知，用公式表示为 r l ，2 l ，l 丁l = 厂( x ，y ，f ) j 式中，厂为物体边界，r _ 的方向是逆时针方向 l 。c 】为已知肆面温度( 常数) ： r ( x ，y ，f ) 为已氪l 譬面温度函数( 随时间位置而变) 。 第二类边界条什是指物体边界上的热流密度为己知，用公式表示为 ( 2 5 ) ! 旦型兰垫查叁堂! ! 1 堂些堡兰 一一一 式中 一k 娑卜g ! l 咖i r l( 2 6 ) 吼叫训，r ) g ! , v i m ! 9 v l ! , i l 热流密度( 常数) ： g ( x ，y ，f ) 为已知热流密度函数。 第二类边界条什是指与物体相接触的流体介质的温度羊换热系数为已知。用公式表示为 口与r 可以是常数电司以是某种l 砸时间利位萱而，爻化的凼效。 213 稳态温度场的有限元法 无内热源轴刺称稳态温度场的微分方程的提法5 1 ： 窑十宴+ 三娶：o d r c h 。一 r , d r 一t 甜“( 丁剖r j 式中，r f m l 为旋转体的、r 彳辱：； x m 】为旋转体的对称中心轴a 对丁( 2 8 ) 式，相应的泛函形式为 巾胡= 螂k r 8 融t ) + ( 豢) 2p1 8 ( 弓丁) r 出 有i q 热源轴对称稳态濡度场的泛幽为 丁( v ) = 箩i k r i ( 瓦3 t ) ! + ( 等 2 吨，r 卜咖+ i 口( 圭丁。巧丁) ，凼 采j = = i 二角形单元，当然，单元温度函数t 也应构造为线性模式，即 丁= ，l = 【】p r 将( 2 - 1 1 ) 式求导后代入( 2 。9 ) 式第项，得 弘去陋t 嵋l 地瓦) 2 + ( 瞩+ 6 l 地瓦) 2 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 一1 2 ) 8 翌锄 “ 中国制学技术人学坝i - ：学位论文 是泛函，。 r ( x ，y ) 的线积分项，只需针对边界单元来讨论。( 2 一i1 ) 式适_ l j 丁整个单元 埘j j 单元边界j k 二 然也是适j 埘的，但是根据线 眭插值的概念，既然单元边界j k 是直线，那么在 直线上任一点的温度t 臼然也是l 利瓦之间作线 性变化，而与丁无关。这样，在边界j k 上可以构 造一个更加简单的线性模式： t = ( 1 一f ) t + f 瓦 ( 2 13 ) 式中，参数t 在o 1 之间变动。 n 幽2 - 2 边界上的线性模式 f i g2 - 2l i n e a rm o d e o nt h eb o u n d a r y 弘f 等m ) t k l - - j t ) 瓦j p ( 2 1 4 ) 要使泛函极小，必须 掣= 善掣= 。”u ，n ) 式中n 为1 ，点总数，m 为单元总数。对- r 每个单元利用复合函数求导法则，经过整理可得 华卜r 丁h m l o 目j 【k j 。f r j 。= 【f 】。 这就是漏度场问题中的单元温度矩阵方 ￥ ”。 黎合得剑总温度刚度矩阵方科绢 k 【7 1 】= 【f ( 2 17 ) 式中， k 为总温度刚度矩阵， t 为总市点温度列矩阵， f 】为总热流麓列矩阵。 2 2i - d e a s 软件简介 1 d e a s 是美国s d r c ( s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e a r c h c o r p o r a t i o n ) 公司( 该公司丁- 2 0 0 0 年并 入- k ：国e d s 公司) 的产l n i ，是全球最知名的c a d 软什之一。i d e a s 是一个高度集成的 c a d c a m c a e i c a t 系统，它帮助i ：科师以极高的效率，在单一数字模7 弘中完成从产品设计、 中罔利学披术人学坝i j 学位论艾 仿真分析、测试直至数控加l 的产品研发全过程。i - d e a s 具有完整的机械设计模块，其中包括 零r l ：设计、特征定义、曲面实体设计、裟配设计、误差分析、运动机构设计利 ：释图绘制等士要 软仆模块。i - d e a s 是全世界制造业用户j ，泛廊用的火型c a d c a e c a m 软什，它住c a d c a e 一体化技术方面一直雄踞世界榜首，软什内诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析臂 真l 【：提高产品性能的高级分析功能”】。 - d e a s 以其高度一体化、功能强人、易学易用等特点而著称。在航空航天、汽车运输、电 子及消赀品年l ：业设备制造等方面拥有众多的成功用户，包括稿特、丰田、尼桑、雷诺、施乐、 曲f jf 、英国宁航系统与殴备公司等。住我国，止式使川i - d e a s 软件的_ l j 户已经超过1 0 0 0 家， 居= 二维实体机械设计自动化软什的主导地位。 一 目前的i - d e a s 最新版本为n x i - d e a s l l ，它可运行于w i n c l o w s n t 和u n i x 平台上。共有 七人土模块，包括，r 稃垃计( e n g i n e e r i n g d e s i g n ) 、- 1 ：程制图( d r a f t i n g ) 、制造( m a n u f a c t u r i n g ) 、 有限元仿真( s i m u l a t i o n ) 、测试数据分析( t e s t d a t a a n a l y s i s ) 、数据管理( d a t a m a n a g e m e n t ) 、 j u o l 数据交换( g e o m e t r yt r a n s l a t o r ) 模块。 221l - d e a s 模块概览 0 本课题相关的模块有： 、i 桦 菠i ；y ( e n g i n e e r i n gd e s i 出1 ) 模块 l 群设计模块土要川丁对产品进行，l 倒没计，包括m a s t e r m o d e l e r ( 建模) 、m a s t e rs u r f a c i n g ( 面) 、m a s t e ra s s e m b l y ( 蛳) 、m e c h a n l s m ( 机构) 、d r a f ts e t u p ( 制酎建模) 儿个子模块。这里仅对 本课题所使川到的模块进行简单介绍。 实体建模( m a s t e rm o d e l e r ) 子模块，事实上，i - d e a s 后阶段的各个r ：作数据的产生都要依赖 下实体建模所生成的数据。 一、i 科制蚓( d r a f t i n g ) 模块 i - d e a s 的绘蚓模块是一个高效的二维机械制幽j 具，它可绘制任意复杂形状的零t l ：。它既 能作为高性能系统独立使州，义能与i - d e a s 的实体建模模块结合起来使川，它支持g b 、a n s i 、 b s 3 0 8 、d i n 、i s o 和j i s 等制图标准。 1 由= 维实体零什直接形成一：维( d r a f t i n gs e t u p ) 模块 在i - d e a s 中，当实体模型建立后，只须儿步操作，我们就可以生成二视蚓( 土视剀、俯视幽、 侧视幽) 及轴测幽。 2 详细绘i n ( d e t a i ld r a f t i n g ) 子模块 d e t a i ld r a f t i n g 子模块可生成符合各种标准的r 群图。d e t a i ld r a f t i n g 还提供了许多有用的l 1 0 中困科学拙术人学坝l 学位论义 具，如动态导航技术，这使设计人员制图变得1 f 常方便。 二、有限元仿真( s i m u l a t i o n l 模块 - d e a s 的有限元仿真应刚包括二个部分：前置处理模块( p f e p r o c e s s i n g ) 、求解模块 ( s o l u t i o n ) 、后处理模央( p o s t - - p r o c e s s i n g ) 。 222 卜d e a st m g 概述 i - d e a st m g 模块是一个全面的传热仿真程序，它提供快速精确的方法求解复杂的传热问 题。t m g 是与i d e a sm a s t e rs e r i e sn # , j - 体n ，模型建立在设计的儿何幽形上，因而处丁底层 g f l ：变化将在热模型中得剑反映。同时，t m g 模块有大量的工具用f 创建、检查和求解热模 犁。 l - d e a st m g 使用先进的有限差分技术对热模型进行高效的数值求解。t m g 可以模拟：1 f 线性利瞬态问题，辐射平传导，流体流动、, ；p 1 7 1 变$ i l 白由、受迪对流，甲星轨道承j 太ij l l i , ) 5 , ，d l _ _ ) l 倒建模。 i - d e a st m g 住 业中已经应用多年。它可以模拟：发动机本体的导热、轨道甲昂的传导和 辐射、带翅片的敞热器的对流冷却、r 导体材米l 的辐射加热和熔解等问题。 利川i - d e a st m g 进行温度场数值模拟的流释如幽2 3 所示： 零件设计 网格划分 l t m g 边界条件加载 i 求解 i 结果后处理 幽2 - 3t m g 模拟流稃幽 f i g2 - 3f l o wc h a r to f t m gs i m u l a t i o n 中j 蜀科学技术人学坝l 学位论艾 习 删 翥椰k “u i ，：i ：i ；i ；ii ii li ! l l l l _ u u _ l l 上u 上u 上l 毒土o j i 幽3 - 1 加速管的温度场分布 f i g3 一it h e r m a ld i s t r i b u t i o no f a c c e l e r a t o rt u b e 住这种情况f ，不得不考虑k a n t h a l 合金同轴负载对加速管温度场所带来的不良影响，冈为， 同轴负载吸收了人量的剩余微波功率。以期通过研究达到了解同轴负载腔的传热性能及萁影响参 数，进而改善同轴负载腔的温度场情况。 针对这样的研究思路，采州i d e a st m g 模块进行有限元热分析的研究手段。有限元分析步 骤是建立儿何模醒、进行网格划分、施加边界条竹i 1 1 扁处理计算结累。在进行网格划分的时候， 需要了解材料的各种物性参数。挚个有限元模型中需要崩到一共二种材料a 无氧铜、k a n t h a l 合 金涂层和冷却k 。冷却水的材料由i d e a s 软件自带的t m gw a t e r 进行模拟。加速管基体无氧铜 的物性参数年k a n t h a l 合金材料( 线材) 的物性参数如表3 一l 所示。 中田科学投术人学坝l 学位论文 表3 - 1k a n t h a l 和c u 性能参数 t a b 3 一lp r o o e r t i e so fk a n t h a la n dc u f e c r a 1 合金无氧铜 密度( k g i l l ) 7 t 0 08 9 3 0 热膨胀系数( 1 k ) 1 35 1 0 6 175 1 0 “ 导热系数( w m k ) 7 13 9 8 比热窬( j k g l ( ) 4 6 03 8 6 弹陡模茸( ( j p a ) 1 0 41 2 5 剪切模鼙( g p a ) 4 384 6 4 泊松比 01 8 603 5 熔点( ) 1 5 0 01 0 8 3 然而，r a n t h a i 合金同轴负载是通过热喷涂的方式附着于c u 表面的，涂层是- 1 十多孔材料， 其荐项物性参数有别 i 纯金属状态的k a n t h a l 。前人的工作已经通过实验得到了不同孔隙率的 k a n t h a l 合金涂层的物性参数，本课题进一步定义了相对厚度的概念，得剑了相对明确的涂层j 度羊物性参数之间的荚系，为后续章悼的有限元分析做好了输入参数的准备f ：作。 3 1 热喷涂技术 热喷涂技术就是表面防护和强化的技术之一，是表面l 。程中一门重要的学科。所谓热喷涂， 就是利_ l l 某种热源，如电弧、笛离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属利1 f 金属涂层材料加 热剑熔融或、r 熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射 剑经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技 术。 根据热源的种类热喷涂技术土要分类为： 表3 - 2 热喷涂的分类 t a b3 - 2c a t e g o r yo f t h e r m a ls p r a y i n g 热源温度喷涂方法 粉末火焰喷涂( 焊) 火丝材火焰喷涂 约3 0 0 0陶瓷棒材火焰喷涂 焰高速火焰喷涂( h v o f ) 爆炸喷涂( d g u n ) 电弧约50 0 0 电弧喷涂 中田利学投术人学坝1 一学位论文 i大气等离子喷涂( h p s ) i等离子弧 10 0 0 0 以上 低压等离子喷涂( l p p s ) l水稳等离子喷涂 虽然冈热喷涂的方法不同其殴备也各有差异，但依据热喷涂技术的原理，其设备都主要由 喷枪、热源、涂层材利供给装置以及控制系统平u 拎却系统组成。幽3 一l 为筲离子喷涂的殴备配置 幽。 氧乙炔火焰喷涂是最早的种喷涂方法。它是利h 氧年乙炔的燃烧火焰将粉末状域丝状、棒 状的涂层材料加热到熔融或、卜熔融状态后喷向基体表面而形成涂层的一种方法。它具有设备简 单、i 艺成熟、操作灵活、投资少、见效陕的特点。它可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂层， 是目前国内最常_ l = 的喷涂方法之一。k a n t h m 合金涂层就是利用氧乙炔火焰喷涂的方法制备的。 但是，e 自该方法制备的涂层孔隙度较大，与基体材料的结合强度也较低。但是，对丁白熔合金而 言，如若采川燃烧火焰：l 哿其一次喷融或将喷涂层进行二次重熔( 有火焰重熔、感应重熔承 炉熔等) 的方法! j 1 1 j 称为喷焊，喷焊涂层由t - _ l j 基体材利争冶金结合状态，因而与基体材料的结合强度人 人提高，可以鹿_ l = r 冲击火、负荷重的 ：况下，如连续铸造拉矫辊、热轧矫直辊表面采削镍基臼熔 合金喷焊涂层进行强化，均获得了十分良好的耐蚀、耐磨和抗热疲劳的强化效果。【 幽s - 2 等离子喷涂的敬备 f l gs - 2e q u i p m e n to fp l a s m as p r a y i n g 工件 惑 k a n t h a i 台金涂层热喷涂一艺过稗主要有一【冲 表面预处理、1 ：件预热、喷涂、涂层_ f ；彳处理四 部分组称。 为了使涂层与基体材料很女r 地结合，基材表面必须清沽及粗糙，净化和粗化表面的方法很多 4 中周科学技术人学坝l 学位论殳 方法的选择耍根据涂层的殴讨要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施r 条什等冈 豢而定。 净化处理的目的是除去l 。表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，天谜是除 左 。仆表面和渗入其中的油船。 净化处理的方法有，溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热 脱脂法笛。 粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械i 交合力，使净化处 理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。同时基材表面粗化还改变涂层中的残余麻 力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。粗化处理的方法有喷砂、机械加i ：法( 如下螺纹、 滚花) 、电拉毛等。其中喷砂处理是最常_ l _ j 的粗化处理方法，常川的喷砂介质有氧化铝、碳化砗 雨j 冷埂铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的人小等条什必须根据r 制：材质的 埂度、1 刊的形状年尺寸等进行合理的选择。对丁各种金属基体，推荐采朋的砂粒粒度约为1 6 - - 6 0 弓砂，粗砂川丁! 整1 6 - i ( 个干重刑件的喷砂，喷砂压力为o5 - 07 m p a ，薄i 刑：易丁变形喷砂 压力为o 3 1 04m p a 。特别值得注意的一点是，川丁喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则 会严重影响涂层的质量。喷涂前l ：什表面的粗化程度对大多数金属材料米说25 1 3 “m r a 就够 了。随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过1 0u m r a 后，涂 层结合强度的提高群度便会减低。 对丁一些与基材粘结不好的涂层材料，还应选择一种与基体材制粘结好的材料喷 - - f d z 渡层，称为车占结底层，常_ _ j 作粘结底层的材料有m o 、n i a l 、n i c r 及铝青铜等。粘结底层的j ：度一 般为o0 8 1 01 8 p r n 。 预热的目的是为了消除i ：件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与l ：t i ：接触时的界面温度， 以提高涂层与基体的结合强度：减少冈基材与涂层材制的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开 裂。预热温度取决丁l 件的人小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等冈素，一般 情况l 、预热温度控制住6 0 1 2 0 。c 之间。 采川何种喷涂方法进行喷涂主要取决 二选j = l | 的喷涂材料、：【。件的一l ：况及对涂层质量的要求。 例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂：如果是碳化物金属陶瓷涂层- l j ! 1 最好采川高速火 焰喷涂：若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂：而若要在户外进行大面积防腐阱 的喷涂的话，那 就。m 灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总之，喷涂方法的选抒一般来说是多样的，但 对某种席_ l j 来说总有一种方法是最好的。 预处理蚶的i 什要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材判、喷枪t i ! i l l l1 什的具体情况而定，优化的喷涂条什可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量 5 中旧剁学技术人学j 【! j ! i 学位论艾 涂层。 喷涂所得涂层有时不能直接使j = ，必须进行一系列的后处理。 州丁防腐蚀的涂层，为了防f r 腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀，必须对涂 层进行封孔处理。州作封孔荆的材料很多，有石腊、环氧树脂、砖树脂等有机材料及氧化物等 无机材删，如何选抒合适的封孔剂，要根据睇 的l 作介质、环境、湍度及成本等多种闪素迸行 考虑。 对丁承受高席力载荷或冲击磨损的r 件，为了提高涂层的结合强皮，要对喷涂层进行重熔处 理( 如火焰噩熔、感廊重熔、激光重熔咀及热等静压筲) ，使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层 变为与基木才甲冶金结合的致密涂层。 有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加h由r 喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不 同的特点，如涂层有微孔，不利丁散热：涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有 很多埂的质点，对刀具的磨损报快等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难予加工的特点。所 以必须选州台理的加l ：方法和相应的1 + 艺参数才能保证喷涂层机械加r 的顺利进行和保证达到 所要求的尺寸精度。 热喷涂时，涂层材料的粒子铍热源加热剑熔融态域高塑性状态，在外加气体域焰流本身的推 力h 雾化升高迷喷射向基体表面，涂层材料的粒子与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积丁基 体表面，p 3 i 1 急冷而快速凝i 蒴，颗粒这样遂层沉积而堆积戍滁层。”热喷涂滁层形成过稗j 火定了 涂层的结构特点，喷涂层是由无数变形粒子相互交错警波浪式堆番在一起的层状编织结构，涂层 中颗粒与颗粒之间不可避免地存住一些孔隙丰l l 空洞，并伴有氧化物夹杂。涂层剖面典聃的结构如 幽3 - 3 ”1 ，其特点为： t 早层状 + 含有氧化物夹杂 + 含有7 l 隙或气孔 城化物帑孔隙武孔恫默粒问的