同步辐射液氮冷却多层膜元件热疲劳寿命预测方法研究

The Ru/C multilayer monochromator element is used as the research object to study the low cycle thermal fatigue life prediction method of multilayer film with liquid nitrogen cooling under synchrotron radiation high heat load in this project. The method of combining experimental test, theoretical modeling and numerical simulation is adopted. The temperature nonlinear material of multilayer at cryogenic temperature will be measured using Shack-Hartmann wavefront sensor. The relationship between the fatigue parameters of the material and the temperature is obtained by the experimental device, and the parameters of the material are tested on the test beamline. The failure mechanism of the material is analyzed and the failure criterion of the material is established. Finally, the fatigue life prediction model of the multilayer film element is established. The finite element analysis method will be used to evaluate the fatigue performance of multilayer film components, which provides an important basis and favorable technical support for the long-term reliable operation of multilayer components.

本项目以Ru/C多层膜单色器元件为研究对象，研究其在同步辐射高热负载下使用液氮冷却时多层膜的低周热疲劳寿命预测方法，拟采取实验测试、理论建模和数值模拟相结合的研究方法。利用Shack-Hartmann波前传感器测量多层膜在低温下的温度非线性材料属性，并利用实验装置进行低周疲劳试验，得到材料疲劳参数与温度的关系，并在测试线对多层膜的参数进行在线测试，综合考虑实验数据，分析材料破坏失效机制并建立材料失效判据，最终建立多层膜元件疲劳寿命预测模型。将采用有限元分析方法对上海同步辐射装置多层膜元件进行进行疲劳性能评估，为多层膜元件的长期可靠运行提供重要依据及有利的技术支撑。

在调研国内外材料疲劳测试和模拟的基础上，为了能够对多层膜元件的热疲劳和长期运行性能进行研究，提出了基于液氮冷却的多层膜热疲劳测试的方案，并在上海光源搭建了离线模拟液氮冷却下的多层膜元件热疲劳过程的实验装置，并申请了发明专利。装置主要包括几大部分：真空室，电子枪，低温循环冷却系统，精密运动滑台，多层膜晶体，夹持和冷却机构，PLC控制系统，温控仪，温度传感器，波前传感器等。此外还提出了基于Ansys Workbench的多层膜热分析新方法，解决了当前针对纵横比尺寸差异巨大的多层膜元件有限元分析困难的问题，该发明舍弃了复杂晦涩的有限元经典界面，采用可视化，交互性更优的ANSYS Workbench，具有前后处理效率高，易于实现，操作简便的优点，并使用该方法完成了上海光源二期USAXS和Nanoprobe线站多层膜晶体的热分析。