石墨,铜连接设计与分析.doc

摘要:石墨及铜由于具备一系列优异的性能而分别被选作核聚变实验反应堆中面对等离子体材料和热沉材料的候选材料之一。核聚变实验装置已选择一种石墨材料（GBST1308）作为主要的面对等离子体材料，其需要实现与铜及整个第一壁材料的系统功能集成。

石墨与铜由于物理性能差异大，接头界面组织结构不均匀，钎焊或机械连接后在石墨侧的边缘处会产生很大的残余应力，严重影响接头的强度。本文应用ANSYS有限元方法，在考虑材料性能参数随温度变化的情况下，来计算石墨/铜接头残余应力的大小和分布，通过分析影响残余应力的因素来提出结构优化方案，并对接头模块在实际工作条件下的温度场和应力场进行模拟。

本文针对我国核聚变装置中迫切需要实现面对等离子体材料与热沉材料有效连接的制造要求，对石墨和铜采用焊接、机械连接、界面热应力及表面温度的影响研究。分析了在钎焊中加入不同中间层和在活性金属铸造中采用不同成分的铜合金时对接头组织和剪切强度的影响，进而初步确定了钎焊和活性金属铸造中的最佳连接规范参数。提出更适合核聚变实验装置用石墨/铜面对等离子体部件的连接方式。

经过ANSYS有限元分析，结果表明：采用钎焊时，焊缝组织均匀，连接界面清晰可见，整个接头没有发现明显的裂纹、气孔以及未焊合的区域，在界面处有多种金属间化合物和碳化物生成；采用机械连接时，适配层的嵌入，可以改善传热效果，相对其它金属，石墨的作用十分优异，温差降低是其它适配层的两倍以上，这定性证明石墨作机械连接适配层更合适。

关键词 石墨/铜，残余应力，钎焊，机械连接

目录

摘要

Abstract

1 绪论-1

1.1选题背景-1

1.2 石墨/铜连接研究现状-2

1.2.1 石墨/铜连接技术的关键-2

1.2.2 面对等离子体材料—掺杂石墨-2

1.2.3 国内外的现状及前景-3

1.3 本课题的目的和意义-4

2 石墨/铜设计安排与分析-5

2.1设计安排-5

2.1.1钎焊连接-5

2.1.2机械连接-6

2.2 ANSYS有限元分析软件-7

2.2.1 ANSYS用有限元法分析的基本原理-8

2.2.2 弹塑性小变形的本构关系-8

3 石墨/铜的钎焊连接模拟分析-9

3.1 钎焊接头残余应力与有限元分析模拟介绍-9

3.2 钎焊链接用有限元法分析-9

3.2.1 用有限元法分析理论解析的假设-9

3.2.2 建立接头物理模型的基本假设-10

3.2.3 有限元计算中应用的材料参数-10

3.3 钎焊模块适配层的分析-10

3.3.1 适配层对残余应力的影响-11

3.3.2 温度对适配层的影响-12

4 石墨/铜机械连接模拟分析-13

4.1 石墨/铜的机械连接的传热特性-13

4.2 机械连接的缺点-14

4.3 机械连接分析-15

4.3.1 实验结果-15

4.3.2 实验结果分析和讨论-18

5 全文总结-19

致谢-21

参考文献-22