超導(dǎo)線纜的多層級建模及力-電-磁行為研究.pdf

1、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材料本身具有很強的應(yīng)變敏感性，其超導(dǎo)性能會明顯的受到自身應(yīng)變狀態(tài)的影響，這導(dǎo)致了實際工程中其在電磁力和熱擴張作用下出現(xiàn)超導(dǎo)性能退化現(xiàn)象。出于運行的安全性、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)域的熱點研究方向。基于

2、此，本論文針對Nb3Sn超導(dǎo)股線及CICC電纜的力學(xué)行為、電學(xué)特性及磁場分布特征進行了較為系統(tǒng)的研究工作。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴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”出現(xiàn)的原因。同時基于此模型討論了股線內(nèi)部超導(dǎo)絲

3、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)部空隙表面的相對滑動、超導(dǎo)絲斷裂和擴展對股線力學(xué)行為的影響。有限元模型所計算的兩種股線的應(yīng)力應(yīng)變曲線與實驗數(shù)據(jù)有很好的吻合。⑵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)絲的斷裂和擴展、超導(dǎo)絲螺距的變化等因素對股線彎曲行為的影響，同時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、

4、超導(dǎo)股線在彎曲過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，結(jié)合全量不變量表達的定標率計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度對股線臨界電流的影響，模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)具有較好的吻合。⑶利用有限元方法對超導(dǎo)電纜的前三層級子纜進行了建模，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子纜的螺距對電纜的力學(xué)行為的影響。同時建立了

5、電纜變形時其內(nèi)部股線中超導(dǎo)絲軸向應(yīng)變的多層級計算方法，并考慮了摩擦力的影響。該方法具有計算簡單、結(jié)構(gòu)清晰、計算速度快等優(yōu)點。通過該方法討論了子纜中不同位置的股線的不同滑動情況。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，作者通過有限元模型對建立的理論方法進行了驗證。⑷根據(jù)超導(dǎo)電纜的特殊結(jié)構(gòu)，本文建立了