行波管阴极组件热分析及优化设计

摘要

行波管(TWT)宽频带、高增益、长寿命和高可靠性的特点,使其成为通讯系统、雷达、电子对抗、地面站、微波加热等系统的核心器件,在现代化高科技战争中担负着极其重要的作用。在TWT的各种特性中,热特性是一项非常重要的指标,是决定TWT平均输出功率的主要因素,同时还直接影响着TWT工作的稳定性和可靠性。随着TWT研制技术的发展,其热可靠性问题已经越来越引起人们的关注。 在影响TWT可靠性和热特性的各类因素中,电子枪阴极组件最易引起整管失效,成为制约其可靠性保证的主要来源。阴极内部的热量分布、热损耗等问题已受到制管厂家的极大重视。本文依据国内制管单位的需求,重点进行TWT阴极组件热状态分析以及优化设计的研究,分析电子枪内部热量传递过程,为实现国产TWT整管可靠性设计奠定基础。 论文基于ANSYS有限元法(FEM)软件进行了电子枪阴极组件瞬态热模拟分析,并将数值模拟、试验和理论分析结果进行比较。从接触热阻的角度分析了数值模拟和试验结果的差异,证明有限元热模拟方法可信且符合实际.在此基础上,确定了热优化设计的控制要点,提出了三种优化方法,开展了模拟计算。选取制管单位最容易改进的一种优化方法进行了制样和实验。结果证明经过优化设计后的电子枪阴极,能够有效地缩短阴极启动时间。同时,在WINDOWS平台上开发出基于ANSYS的TWT电子枪热分析应用程序,便于TWT设计人员进行电子枪阴极的分析和设计. 本论文系统建立了电子枪阴极组件热模拟FEM分析模型和热优化设计平台,获得典型电子枪热阴极的温度分布、热流分布及预热时间等参数,在给定加热功率下优化阴极工作温度,缩短阴极预热时间,提高了行波管快速反应能力。为快热型TWT阴极组件的优化设计研究奠定了基础,也为整管热可靠性的评价提供理论和数值仿真依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1行波管在军用电子武器装备中的作用

1.2行波管简介

1.3行波管中阴极组件目前存在的主要问题

1.4本文研究意义、目标、方法和主要内容

1.4.1研究目的和意义

1.4.2研究方法

1.4.3主要内容

第二章基本理论

2.1传热学基础概念

2.1.1传热学经典理论公式

2.1.2热传递的方式

2.1.3研究传热问题的一般方法

2.2热分析有限元法模型

2.2.1有限元方法的基本思想

2.2.2热分析有限元模型

2.3阴极组件热设计机理

2.3.1热阴极的基本工作参量

2.3.2阴极加热功率的计算

2.3.3热学转换定律

2.4阴极预热时间简化的理论分析

2.4.1理论模型

2.4.2阴极组件热传导模型及结果

第三章ANSYS软件及二次开发

3.1 ANSYS软件简介

3.1.1 ANSYS软件的特点

3.1.2 ANSYS软件功能组成

3.1.3 ANSYS软件的分析功能

3.2基于FEM的ANSYS热分析

3.2.1 ANSYS热分析简介

3.2.2稳态热分析

3.2.3瞬态热分析

3.2.4热辐射有限元分析模型类型

3.3二次开发

3.3.1二次开发原理

3.3.2程序设计

第四章 阴极组件及电子枪热模拟分析

4.1结构建模分解及边界条件处理

4.2实体建模

4.2.1实体建模

4.2.2对实体模型进行网格划分建立有限元模型

4.2.3定义热辐射有限元分析模型

4.3加载求解

4.4热模拟计算结果

4.4.1阴极组件模型瞬态热模拟结果

4.4.2电子枪模型瞬态热模拟结果

第五章阴极组件热优化设计

5.1热优化分析

5.1.1使热子和阴极间的热传导最佳（减轻阴极质量、使用高热导北材料）

5.1.2降低传导损耗

5.1.3降低辐射损耗

5.2确定热优化设计控制要点及方法

5.3热优化设计模拟分析

5.3.1优化方法1：

5.3.2优化方法2：

5.3.3优化方法3：

第六章阴极表面的测温实验及结果分析

6.1实验原理与装置

6.1.1实验原理

6.1.2实验装置

6.2优化改进前阴极组件的实验结果及分析

6.2.1实验结果

6.2.2与模拟结果的比较分析

6.3优化改进前电子枪的实验结果及分析

6.3.1电子枪的实验结果

6.3.2与模拟结果的比较分析

6.4优化设计后阴极组件实验结果与分析

6.4.1实验结果

6.4.2与模拟结果的比较分析

第七章总结

致谢

参考文献

附录