【摘要】：行波管是一類非常重要的微波真空電子器件,憑借其高功率、高增益、高效率、寬頻帶等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用在雷達、電子對抗、通信及現(xiàn)代軍事設(shè)備中。隨著先進雷達、微波導航通信等系統(tǒng)的不斷發(fā)展,對行波管的性能提出了越來越高的要求。這些高性能行波管除了電性能外,還需要對其散熱能力以及受到的熱應(yīng)力進行分析,保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性。行波管內(nèi)的零件溫度發(fā)生變化時,由于外部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部各零件之間的相互約束,使行波管內(nèi)部各零件不能完全自由脹縮,導致行波管的零部件產(chǎn)生熱應(yīng)力。當熱應(yīng)力超過材料的承受極限時,零件將會斷裂。行波管電性能對零部件尺寸非常敏感,熱應(yīng)力形變將對電性能產(chǎn)生影響。溫度、應(yīng)力、電參數(shù)之間相互制約,對行波管準確高效的熱力電協(xié)同仿真,從而保證行波管穩(wěn)定、可靠的工作,具有十分重要的意義。本文將熱力學理論與仿真計算相結(jié)合,對某型號螺旋線行波管的三大組件(電子槍、慢波結(jié)構(gòu)、收集極)熱力電協(xié)同仿真。使用ANSYS對三大組件進行熱分析得到熱分布,然后將熱分布結(jié)果作為靜力分析的初始條件計算熱應(yīng)力。根據(jù)溫度分布及應(yīng)力判斷各零部件的可靠性,并根據(jù)熱應(yīng)力形變重新建模,對比形變前后的電性能變化,分析形變量對電性能的影響。本文主要工作和創(chuàng)新包括:1.對電子槍的環(huán)境適應(yīng)性進行了研究。在-20℃~80℃范圍內(nèi)調(diào)整電子槍仿真時的外界環(huán)境溫度,使用穩(wěn)態(tài)熱分析得到相應(yīng)的陰極溫度。發(fā)現(xiàn):外界環(huán)境溫度在-20℃~80℃范圍內(nèi)變化時,陰極溫度與要求的陰極工作溫度(1050℃)偏差在0.67%以內(nèi),此結(jié)果表明該電子槍可在較大的溫差環(huán)境下穩(wěn)定工作,具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。2.雷達及軍事設(shè)備要求行波管具備快速響應(yīng)能力(小于3分鐘),而電子槍的啟動時間決定了行波管的響應(yīng)快慢。使用ANSYS軟件的瞬態(tài)熱分析模塊計算了電子槍的陰極啟動時間。啟動時間大約為2分鐘55秒,滿足3分鐘內(nèi)快速啟動的要求。3.電子槍熱力電協(xié)同仿真研究。分析了電子槍熱分布與網(wǎng)格、材料、接觸熱阻、環(huán)境溫度的關(guān)系。使用ANSYS對電子槍熱力分析,得到電子槍溫度分布和熱應(yīng)力形變,并將形變后的模型導入MTSS重新計算電性能。對比形變前后電性能,發(fā)現(xiàn)電子槍注腰位置增大了0.05%,陰極發(fā)射電流減小了8.4%。4.螺旋線行波管慢波結(jié)構(gòu)熱力電協(xié)同仿真研究。使用ANSYS對慢波結(jié)構(gòu)進行熱力分析得到溫度及熱應(yīng)力形變,在螺旋線內(nèi)表面采用了更加精確的功率損耗分布加載方式,發(fā)現(xiàn)在螺旋線后半段靠近輸出窗位置,螺旋線的最高溫度達到249.13℃。根據(jù)熱應(yīng)力形變數(shù)據(jù)重新建模,并計算慢波結(jié)構(gòu)形變前后的高頻特性,發(fā)現(xiàn)耦合阻抗和色散曲線形變前后變化率分別在2.1%,5.4‰以內(nèi)。5.螺旋線行波管多級降壓收集極熱力電協(xié)同仿真研究。使用MTSS計算各極板的功率損耗并作為熱源,使用ANSYS對收集極熱力分析得到溫度及應(yīng)力分布。忽略二次電子時,收集極最高溫度及最大應(yīng)力分別為189.7℃,67.471Mpa�？紤]二次電子時,收集極最高溫度及最大應(yīng)力分別為275.55℃,112.35 Mpa,與忽略二次時相比,分別增加了45.2%,66.5%,二次電子對收集極的溫度與應(yīng)力有較大的影響。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN124
【圖文】：

達到工作溫度。在螺旋線以及收集極內(nèi)表面施加熱流密度的方式進行熱YS 提供了多種添加熱源的方式，比如熱流密度，體熱生成率，也可以添源。在使用計算機軟件仿真時，網(wǎng)格的劃分方法影響結(jié)果的精度及準確YS 提供多種劃分網(wǎng)格的策略，比如掃掠網(wǎng)格劃分、多域掃掠型網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分、自動網(wǎng)格劃分、六面體主導的網(wǎng)格劃分，為仿真結(jié)果的準確保障。行波管對結(jié)構(gòu)尺寸的精度要求很高，要盡可能避免行波管零部件出現(xiàn)較并且受到的熱應(yīng)力不能超過材料的承受上限。將 ANSYS Workbench 中的靜力分析結(jié)合完成熱力協(xié)同仿真，可以認為導致熱應(yīng)力以及形變的主要波管的溫度分布[22]。使用 ANSYS Workbench 對螺旋線行波管的三大組件（電子槍、慢波結(jié)構(gòu)）進行穩(wěn)態(tài)熱分析后，得到行波管的溫度分布，然后將穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)力分析模塊的初始條件，得到熱應(yīng)力分布以及形變，然后根據(jù)此形變結(jié)管各組件重新建模，最后計算各組件的電性能，熱力協(xié)同仿真流程如圖。

電子科技大學碩士學位論文，如果出現(xiàn)接觸面的分離，那么法向的壓力為零，屬于非線性求解；Rou），僅適用于接觸面之間，表示不會出現(xiàn)相對滑動，摩擦系數(shù)為無窮大nal（有摩擦），僅適用于接觸面之間，表示接觸面之間可以傳遞一定大小力，對此接觸類型設(shè)置，表示兩個接觸面之間的剪切應(yīng)力超過設(shè)定值時生相會滑動。電子槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間通過焊接方式連接，不會出現(xiàn)相對滑動中導入模型時，需要設(shè)置接觸面的接觸類型為綁定類型，而且不允許出態(tài)的零件。

熱子加載功率為 0.679W/mm3，使陰極溫度達到 1050℃，得到電子槍整體的溫度分布，如圖3-6 所示。選取電子槍的幾個主要部件，熱分布結(jié)果如圖 3-7 所示。電子槍整體溫度分布結(jié)果，如圖 3-6 所示。根據(jù)溫度分布可以看出，熱量主要集中在陰極以及陰極組件上，陰極筒與外部結(jié)構(gòu)通過支撐桿相連接，阻斷了熱量向外部結(jié)構(gòu)傳遞，使得陰極能夠快速積累大量的熱量，從而達到工作溫度。

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