發(fā)布時(shí)間：2018-04-03 03:14

  本文選題：Nb_3Sn超導(dǎo)股線　切入點(diǎn)：CICC超導(dǎo)電纜　出處：《蘭州大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：Nb3Sn超導(dǎo)材料以其優(yōu)越的超導(dǎo)性能成為ITER磁體系統(tǒng)中超導(dǎo)線圈的主要材料之一。Nb3Sn材料本身具有很強(qiáng)的應(yīng)變敏感性,其超導(dǎo)性能會(huì)明顯的受到自身應(yīng)變狀態(tài)的影響,這導(dǎo)致了實(shí)際工程中其在電磁力和熱擴(kuò)張作用下出現(xiàn)超導(dǎo)性能退化現(xiàn)象。出于運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、低損耗等考慮,以Nb3Sn為超導(dǎo)材料的超導(dǎo)股線及超導(dǎo)電纜都具有復(fù)雜的絞扭結(jié)構(gòu),這使得預(yù)測(cè)超導(dǎo)電纜及股線的力學(xué)行為和超導(dǎo)電性既非常重要和關(guān)鍵,又非常復(fù)雜,是應(yīng)用超導(dǎo)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向�；诖�,本論文針對(duì)Nb3Sn超導(dǎo)股線及CICC電纜的力學(xué)行為、電學(xué)特性及磁場(chǎng)分布特征進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究工作。首先,本文以LMI股線和SMI-PIT股線為例,基于超導(dǎo)股線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和Curtin-Zhou發(fā)展的GLS斷裂模型,通過(guò)有限元方法建立了超導(dǎo)股線的多絲絞扭模型和均勻化模型,研究了超導(dǎo)股線在軸向循環(huán)載荷作用下的力學(xué)行為,解釋了超導(dǎo)股線應(yīng)力應(yīng)變曲線中滯回結(jié)構(gòu)和“平臺(tái)”出現(xiàn)的原因。同時(shí)基于此模型討論了股線內(nèi)部超導(dǎo)絲的螺旋結(jié)構(gòu)、股線生產(chǎn)制備中產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力、超導(dǎo)絲脫粘及股線內(nèi)部空隙表面的相對(duì)滑動(dòng)、超導(dǎo)絲斷裂和擴(kuò)展對(duì)股線力學(xué)行為的影響。有限元模型所計(jì)算的兩種股線的應(yīng)力應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的吻合。其次,基于建立的多絲絞扭模型,本文以LMI股線為例,研究了其在彎曲作用下的力學(xué)行為。討論了股線中的熱殘余應(yīng)力、超導(dǎo)絲的斷裂和擴(kuò)展、超導(dǎo)絲螺距的變化等因素對(duì)股線彎曲行為的影響,同時(shí)基于多絲絞扭模型研究了超導(dǎo)股線中超導(dǎo)絲斷裂的分布情況以及其與超導(dǎo)絲螺距的關(guān)系、超導(dǎo)股線在彎曲過(guò)程中中性軸的偏移等力學(xué)行為。利用多絲絞扭模型的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合全量不變量表達(dá)的定標(biāo)率計(jì)算了股線在彎曲載荷作用下臨界電流的變化。本文還討論了超導(dǎo)絲的斷裂及股線中電流傳輸長(zhǎng)度對(duì)股線臨界電流的影響,模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的吻合。再次,本文利用有限元方法對(duì)超導(dǎo)電纜的前三層級(jí)子纜進(jìn)行了建模,模擬了其在拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等基本力學(xué)載荷作用下的變形情況,并利用模型討論了子纜中股線的各向異性以及各層級(jí)子纜的螺距對(duì)電纜的力學(xué)行為的影響。同時(shí)建立了電纜變形時(shí)其內(nèi)部股線中超導(dǎo)絲軸向應(yīng)變的多層級(jí)計(jì)算方法,并考慮了摩擦力的影響。該方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)該方法討論了子纜中不同位置的股線的不同滑動(dòng)情況。根據(jù)研究和工程需要,作者還建立了較為精確的彈性范圍內(nèi)超導(dǎo)電纜內(nèi)部股線力學(xué)變形的研究方法,該方法能夠計(jì)算出電纜在變形情況下其內(nèi)部股線的內(nèi)力分布、彎矩分布、接觸力以及摩擦力的分布。并且,作者通過(guò)有限元模型對(duì)建立的理論方法進(jìn)行了驗(yàn)證。最后,根據(jù)超導(dǎo)電纜的特殊結(jié)構(gòu),本文建立了超導(dǎo)電纜自場(chǎng)的多層級(jí)快速計(jì)算方法。該方法的計(jì)算時(shí)間復(fù)雜度較精確算法低一個(gè)量級(jí),并且具有傳統(tǒng)簡(jiǎn)化算法所不具有的高精度特性。利用該方法作者對(duì)花瓣級(jí)子纜以及全尺寸超導(dǎo)電纜橫截面上的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算,并討論了各層級(jí)子纜的螺距對(duì)電纜的磁場(chǎng)分布的影響。作者通過(guò)計(jì)算低層級(jí)子纜的磁場(chǎng)與精確算法的結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了多層級(jí)快速算法的準(zhǔn)確性。同時(shí),還提出了對(duì)于壓縮后的超大電纜磁場(chǎng)分布的估算方法,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了估算方法的準(zhǔn)確性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM26
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本文編號(hào)：1703367