超导线缆的多层级建模及力-电-磁行为研究

摘要

Nb3Sn超导材料以其优越的超导性能成为ITER磁体系统中超导线圈的主要材料之一。Nb3Sn材料本身具有很强的应变敏感性，其超导性能会明显的受到自身应变状态的影响，这导致了实际工程中其在电磁力和热扩张作用下出现超导性能退化现象。出于运行的安全性、稳定性、低损耗等考虑，以Nb3Sn为超导材料的超导股线及超导电缆都具有复杂的绞扭结构，这使得预测超导电缆及股线的力学行为和超导电性既非常重要和关键，又非常复杂，是应用超导领域的热点研究方向。基于此，本论文针对Nb3Sn超导股线及CICC电缆的力学行为、电学特性及磁场分布特征进行了较为系统的研究工作。
　　本研究主要内容包括：⑴以LMI股线和SMI-PIT股线为例，基于超导股线的内部结构和Curtin-Zhou发展的GLS断裂模型，通过有限元方法建立了超导股线的多丝绞扭模型和均匀化模型，研究了超导股线在轴向循环载荷作用下的力学行为，解释了超导股线应力应变曲线中滞回结构和“平台”出现的原因。同时基于此模型讨论了股线内部超导丝的螺旋结构、股线生产制备中产生的热残余应力、超导丝脱粘及股线内部空隙表面的相对滑动、超导丝断裂和扩展对股线力学行为的影响。有限元模型所计算的两种股线的应力应变曲线与实验数据有很好的吻合。⑵基于建立的多丝绞扭模型，本文以 LMI股线为例，研究了其在弯曲作用下的力学行为。讨论了股线中的热残余应力、超导丝的断裂和扩展、超导丝螺距的变化等因素对股线弯曲行为的影响，同时基于多丝绞扭模型研究了超导股线中超导丝断裂的分布情况以及其与超导丝螺距的关系、超导股线在弯曲过程中中性轴的偏移等力学行为。利用多丝绞扭模型的优点，结合全量不变量表达的定标率计算了股线在弯曲载荷作用下临界电流的变化。本文还讨论了超导丝的断裂及股线中电流传输长度对股线临界电流的影响，模型计算结果与实验数据具有较好的吻合。⑶利用有限元方法对超导电缆的前三层级子缆进行了建模，模拟了其在拉伸、扭转、弯曲等基本力学载荷作用下的变形情况，并利用模型讨论了子缆中股线的各向异性以及各层级子缆的螺距对电缆的力学行为的影响。同时建立了电缆变形时其内部股线中超导丝轴向应变的多层级计算方法，并考虑了摩擦力的影响。该方法具有计算简单、结构清晰、计算速度快等优点。通过该方法讨论了子缆中不同位置的股线的不同滑动情况。根据研究和工程需要，作者还建立了较为精确的弹性范围内超导电缆内部股线力学变形的研究方法，该方法能够计算出电缆在变形情况下其内部股线的内力分布、弯矩分布、接触力以及摩擦力的分布。并且，作者通过有限元模型对建立的理论方法进行了验证。⑷根据超导电缆的特殊结构，本文建立了超导电缆自场的多层级快速计算方法。该方法的计算时间复杂度较精确算法低一个量级，并且具有传统简化算法所不具有的高精度特性。利用该方法作者对花瓣级子缆以及全尺寸超导电缆横截面上的磁场分布进行了计算，并讨论了各层级子缆的螺距对电缆的磁场分布的影响。作者通过计算低层级子缆的磁场与精确算法的结果对比验证了多层级快速算法的准确性。同时，还提出了对于压缩后的超大电缆磁场分布的估算方法，并通过实验数据验证了估算方法的准确性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文的研究内容

第二章 多丝绞扭股线三维仿真模型及其轴向力学行为

2.1超导股线轴向力学行为的研究概述

2.2模型的建立

2.3 模拟结果及讨论

2.4 本章小结

第三章 多丝绞扭超导股线的弯曲行为及临界电流特性

3.1 超导股线弯曲时的力电行为研究概述

3.2 模型的建立以及各个因素对股线力学性质的影响

3.3 股线弯曲力学行为结果讨论

3.4临界电流的计算

3.5 本章小结

第四章 超导电缆多层级建模——力学行为

4.1 超导电缆力学行为研究方法概述

4.2 超导电缆的有限元模拟

4.3 电缆中超导丝轴向应变的多层级分析

4.4 CICC超导电缆受拉、扭、弯作用时其中股线变形的力学分析

4.5 本章小结

第五章 超导电缆的多层级建模——磁场计算

5.1超导电缆产生磁场的研究概述

5.2快速磁场计算方法（FDBS）

5.3计算结果讨论

5.4 本章小结

第六章 结束语

参考文献

在学期间的研究成果

致谢