摘要：位于第三代同步辐射装置SSRF上前端区的挡光元件是光束线上至关重要的部件，承受着高功率密度的辐照载荷作用，引起温度的上升和热应力的产生。按静强度准则设计，使线弹性有限元计算得到的最大热应力低于其制作材料Glidcop的屈服强度，理论寿命为无限，是过于保守的设计。若按有限热疲劳寿命的方法来设计元件，可对目前的元件进行改良优化，而从提升装置的总体性能。本文以典型插入式挡光元件结构为例，进行热弹塑性有限元模拟，给出热疲劳寿命评价方法，并依此对未来挡光元件的设计提出有限寿命的设计方法。这一方法也可为其它装置上受高功率辐照载荷结构的热疲劳设计提供借鉴。由于结构的对称性，建模采用1/4实体模型，元件中布有横向排布的水冷管道，挡光元件受光面上承受的热负载在进行有限元分析时近似为表面热源以施加载荷。首先对构件进行热负载作用下的温度分布，然后将温度分布作为结构载荷并约束模型的刚体位移进行应力分析。针对Glidcop材料的热物性和力学属性等参数的温度强相关性，分别采用实验测得的各温度相关参数，考虑束流正常及中心漂移两种情况，利用弹塑性有限元方法计算各应力和应变分量随时间的变化历程，并与将材料参数设为不变量的线弹性有限元分析结果进行对比。之后采用综合了各应变分量贡献并考虑平均应力效应以及弹性泊松比和塑性泊松比区别后修正的Von Mises等效应变模型对挡光元件进行疲劳寿命预测。但是，模型计算的是束流总是正常或总是漂移情况下的疲劳寿命，实际中发生漂移的情况很少，定义发生漂移的概率，利用Miner线性累积损伤理论来综合束流正常和发生漂移的情况，并考虑元件的表面粗糙度的影响，以及光束长时间照射的保载效应，得到挡光元件最终疲劳预测寿命。经数值模拟分析，发现线弹性有限元忽略材料属性随温度变化而变化的事实，不能模拟元件局部区域可能已经进入塑性的状况，这会对最终设计带来偏差。目前设计的SSRF挡光元件在300mA束流下非常保守，结构上有很大的冗余。按有限寿命设计的理念，挡光元件只需满足设计寿命即可，取10倍安全系数约为。为达到这一目标，可对现有元件进行改良优化或者重新设计，进行热弹塑性模拟提取损伤参量计算使得式的结果不小于。

　　关键词：同步辐射，疲劳模型，非线性有限元，损伤分析，寿命预测

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