复合超导线圈的电热失稳机理与弹塑性分析

作     者：黄晨光 王富生 吕晨杨 陈龙 

作者机构：西北工业大学力学与土木建筑学院 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080102[工学-固体力学] 0702[理学-物理学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2023YFB3811301) 国家自然科学基金项目(12272310)资助 

主　　题：复合超导线圈 电磁-热-力耦合 失超 弹塑性 

摘      要：高温超导磁体通常是由复合超导带材绕制而成的线圈组合成的系统。实际运行中线圈可能因局部热源、局部退化及过载流运行等因素而发生失超，整体结构在热应力和电磁力作用下出现弹塑性变形甚至局部破损现象。由于局部失超的随机性和多原因触发特性、复合带材组分过多且宽厚比过大、线圈内电磁-热-力耦合和非线性特性，这些都为精准预测复合超导线圈的电热失稳与力学变形带来了极大困难。已有的数值研究大多通过对局部失超区域精细化建模而剩余区域均匀化处理来降低自由度，无法处理随机失超情形且无法给出失超传播区域各材料层的力学信息。本文在磁场-磁标势方程、热传导方程和弹塑性力学方程基础上，结合非线性幂律模型和非线性应力-应变关系，发展了一套高效准确的超导磁体电磁-热-力耦合行为分析方法。该方法采用磁场方程来模拟超导层、铜层、银层和哈氏合金层等导电区域的电磁行为，而采用磁标势方程来模拟绝缘层和周围液氮等非导电区域的电磁行为，通过切口法并引入磁标势的不连续性，使得非导电区域从多连通变成单连通并遵守安培定律，其计算速度可以比当前主流的磁场法快近4倍。在复合超导盘形线圈的多场耦合分析中，采用该方法详细讨论了局部热源、局部退化及过载流运行等多因素下整体线圈结构的失超传播机理与各材料层的弹塑性演化规律。