The mercury constitutive model predicting the strain and stress in the target vessel plays a central role in improving the lifetime prediction and future target designs of the mercury targets at the Spallation Neutron Source (SNS). We leverage the experiment strain data collected over multiple years to improve the mercury constitutive model through a combination of large-scale simulations of the target behavior and the use of machine learning tools for parameter estimation. We present two interdisciplinary approaches for surrogate-based model calibration of expensive simulations using evolutionary neural networks and sparse polynomial expansions. The experiments and results of the two methods show a very good agreement for the solid mechanics simulation of the mercury spallation target. The proposed methods are used to calibrate the tensile cutoff threshold, mercury density, and mercury speed of sound during intense proton pulse experiments. Using strain experimental data from the mercury target sensors, the newly calibrated simulations achieve 7\% average improvement on the signal prediction accuracy and 8\% reduction in mean absolute error compared to previously reported reference parameters, with some sensors experiencing up to 30\% improvement. The proposed calibrated simulations can significantly aid in fatigue analysis to estimate the mercury target lifetime and integrity, which reduces abrupt target failure and saves a tremendous amount of costs. However, an important conclusion from this work points out to a deficiency in the current constitutive model based on the equation of state in capturing the full physics of the spallation reaction. Given that some of the calibrated parameters that show a good agreement with the experimental data can be nonphysical mercury properties, we need a more advanced two-phase flow model to capture bubble dynamics and mercury cavitation.


翻译:预测目标容器紧张和压力的汞构成模型在改进Spallation中子源(SNS)汞目标的寿命期预测和未来目标设计方面发挥着核心作用。我们利用多年来收集的实验强度数据,通过大规模模拟目标行为和使用机器学习工具进行参数估计,改进汞构成模型。我们提出了两种基于替代模型的跨学科方法,即利用进化神经网络和稀疏的多元海洋扩展,对昂贵的模拟进行代用模型校准。两种方法的实验和结果表明,对汞蒸汽目标的固力机械模拟非常一致。我们采用拟议方法,通过大规模模拟模拟目标行为,对汞构成模型的临界值、汞密度和声音的汞速度进行校准,利用来自汞目标传感器的紧张性实验数据,新校准的模型平均提高了信号预测准确度,与先前报告的参考参数相比,平均减少了8-%的绝对误差,而一些传感器的流量则提高到30-%。拟议校准的模拟可以极大地帮助对汞动力动力动态进行模拟,从而对当前目标的精确度进行不精确度分析。一个基于当前目标的精确度的精确度,从而显示一个不测测测测测测测测测测测测测测的数值的数据,从而降低了汞的精确度、测测测测测测测测数据,从而可以降低测测测测测测测测测测测。

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