Nb3Sn超导股线中芯丝断裂行为的研究

摘要

3Nb Sn超导股线具有较高的临界磁场和优良的超导电性，在工程中得到了广泛应用。国际热核反应堆(ITER)项目的托卡马克装置内部的超导磁体中有较大电流来产生强磁场对等离子体进行磁约束。超导磁体在托卡马克装置中低温、强磁场环境下运行时会承受周期性变化的电磁力和热应力作用，因此超导磁体的基本特性、安全性、有效性等问题是整个核聚变装置能否稳定运行的关键。超导磁体中使用的管内超导电缆(CICC)是由数千根3Nb Sn和铜基复合而成的超导股线经过多级绞缆而成，应变、温度、磁场等环境因素的变化会导致芯丝的断裂和疲劳损伤。因此，深入研究超导股线的力学行为有利于超导磁体的结构优化并提高其超导性能。
　　本文首先建立了3Nb Sn超导股线在二维平面上的无限大裂纹模型，考虑了中心裂纹桥接模型受轴向拉伸应力和剪切应力作用时的混合型裂纹问题。根据经典的Westergaard应力函数方法推导出I型和II型裂纹问题中裂纹尖端应力强度因子和裂纹表面相对张开位移表达式。探讨了裂纹扩展长度和施加应力对应力强度因子的影响。同时对裂纹扩展过程中可能出现的两种破坏方式进行了分析和对比。在此基础上，针对三元组模型给出了股线螺距对能量释放率和应力强度因子的影响。讨论了股线螺距、临界应变、纤维断裂数目及股线中纤维和基底宽度等各参数之间的相互影响关系。另外分析了超导股线多级绞缆结构中能量释放率的变化规律。
　　在3Nb Sn超导股线复合材料中，不同区域分布着许多微小裂纹或孔洞，当这些微小裂纹彼此相连后会导致更加复杂的断裂力学行为。对此本文考虑了双共线裂纹模型进行了分析。展示了临界应力强度因子和张开位移两种情况中桥接裂纹数目和破坏应变之间的曲线图，分别给出了不同纤维、铜丝宽度下微裂纹数对施加应变的影响，得到了与实验数据比较吻合的结果。
　　实际应用中，超导电缆由数千跟超导股线多级绞缆而成。复杂的几何结构导致对其力学行为的研究变得更加繁琐。在强磁场环境中循环加载的电磁力和热应力使股线内部的裂纹扩展受到更多参数的影响。本文根据弹性细杆基本理论推导了超导股线螺旋结构各级之间应变、螺旋角及扭转角的几何关系。分析了应力强度因子及能量释放率随螺旋角、螺距和扭转角的变化关系，给出了两种不同裂纹表面应力计算方法对应的应力强度因子，并将结果进行了对比。与此同时对多级螺旋结构超导股线截面上的应力进行了分析，为超导股线结构的最优设计提供了一定的参考意见。

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第一章 绪 论

1. 1 超导体的发展简史

1.2 超导体应用及Nb3Sn管状超导电缆

1.3 Nb3Sn超导股线的力学特性及研究

1. 4 桥接裂纹模型

1. 5 主要研究内容

第二章 Nb3Sn超导股线的理论介绍

2.1 基于Westergaard应力函数的裂纹求解

2. 2 裂纹表面应力计算

2. 3 弹性细杆分析

第三章 桥型模型

3. 1 混合型裂纹

3. 2 三元组的单向拉伸

3. 3 多级螺旋结构

3. 4 双共线裂纹

3. 5 本章小结

第四章 螺旋股线中裂纹分析

4. 1 螺旋结构的几何关系

4. 2 计算结果分析

4. 3 本章小结

第五章 总结与展望

5. 1 总结

5. 2 展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢