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稀有金属材料与工程 2014年第4期43卷 936-940页

作者：高配峰王省哲兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室甘肃兰州730000

超导材料由于在外部载荷作用下表现出的超导性能退化效应严重制约了其工程实际应用。基于脆性纤维金属基增强复合材料损伤理论,应用Weibull分布函数建立了轴向荷载作用下的复合多芯Bi系超导带材的力学变形对临界电流影响的退化模型。给... 详细信息

超导材料由于在外部载荷作用下表现出的超导性能退化效应严重制约了其工程实际应用。基于脆性纤维金属基增强复合材料损伤理论,应用Weibull分布函数建立了轴向荷载作用下的复合多芯Bi系超导带材的力学变形对临界电流影响的退化模型。给出了轴向加载和卸载过程超导带材临界电流随轴向应变的变化关系;并对超导带材不同初始损伤以及预应变情形下的临界电流随轴向应变的变化关系和退化进行了理论预测,能够给出与实验结果吻合良好的轴向应变对临界电流的退化影响。

关键词：高温超导带材轴向变形预应变损伤统计理论临界电流退化

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涂层高温超导复合带材在拉伸-扭转复合变形下的力电行为研究

涂层高温超导复合带材在拉伸-扭转复合变形下的力电行为研究

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作者：毛佳丽兰州大学

学位级别：硕士

REBCO涂层高温超导复合带材在液氮环境中可以实现超导态,并且具有优异的高临界磁场、高临界电流等优点,在新能源开发与利用、现代交通、电力运输等技术前沿领域中具有广泛的应用前景,使得高温超导技术研究成为近年来科研领域的一大热点... 详细信息

REBCO涂层高温超导复合带材在液氮环境中可以实现超导态,并且具有优异的高临界磁场、高临界电流等优点,在新能源开发与利用、现代交通、电力运输等技术前沿领域中具有广泛的应用前景,使得高温超导技术研究成为近年来科研领域的一大热点方向。然而,由于REBCO超导带材特殊的多层复合结构以及极低温的工作条件等复杂工况,复合超导体在外部载荷作用下往往表现出复杂的应力、应变特征。分析带材在复杂载荷环境中的力学行为,尤其是超导涂层应力应变分布特征,有益于揭示带材的力电行为。本文围绕REBCO涂层高温超导复合带材在单轴拉伸、纯扭转及拉-扭复合变形下的力学行为及其对超导载流性能影响问题,开展了系统的实验测试与数值模拟研究。实验方面,本文设计了可实现低温拉-扭复合变形装置,能够满足液氮环境中带材单轴拉伸、纯扭转及拉-扭复合变形下的力电性能测试。该装置使用液氮浸泡方式实现低温环境,温度稳定;通过低温电阻应变片测试带材的变形,实现带材变形的高精度测量;结合低温/变温环境下超导力学实验测试系统,可实现力电信号的同步采集。本文首先开展了拉伸加载-卸载下超导临界电流测试,测量结果表明:随着拉伸应变的增大,临界电流(I)的退化行为可分为两个明显阶段,即可逆阶段和不可逆阶段;当拉伸应变达到0.7%时,临界电流未发生退化行为,卸载后的电流仍可恢复到初始临界电流(I)的99%;当拉伸应变超过0.7%时,临界电流急剧下降,且卸载后的电流仅部分恢复到初始临界电流值。其次,在扭转变形和拉-扭复合变形的加载-卸载实验中,临界电流随应变变化行为表现相似,如小应变时,临界电流基本无退化,卸载后,临界电流基本能够恢复到原值;较大应变时临界电流急剧退化,卸载后,临界电流不能恢复到原值。数值模拟方面,基于弹性理论和COMSOL有限元软件构建了REBCO涂层高温超导复合带材多层壳的有限元模型,并与3D有限元模型在扭转变形下的应力、应变分布模拟结果进行了比较,验证了2D多层壳有限元模型的适用性,且多层壳模型具有较高效率和精度。随后,建立了包含所有完整材料的REBCO超导带材的2D多层壳有限元模型,数值模拟了拉伸、扭转及拉-扭复合变形下各材料层的应力应变分布特征。进一步,基于脆性纤维-金属基复合材料损伤理论和Weibull分布函数,分析了带材在外部载荷下临界电流退化演变过程。计算结果表明:扭转作用下REBCO超导带材宽度方向中心区域受压、两侧边缘受拉;带材在预扭转下拉伸时,临界电流的退化曲线相较于纯拉伸变形下的临界电流退化曲线更加趋于平缓。此外,小扭转变形下的拉扭组合变形与纯拉伸变形的临界电流退化行为类似,区别在于临界电流发生急剧退化之前有一个渐进变化过程。数值模拟结果与实验测试结果一致,吻合良好。本文的相关实验与数值仿真研究,可为高温超导复合材料实际应用中的复杂载荷和变形下的力电行为预测提供有效的方法与途径,具有一定的工程指导意义。

关键词：高温超导 REBCO涂层超导带材拉-扭复合变形临界电流退化力电行为实验表征有限元建模与仿真

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复合应力状态下YBCO超导带材脱层强度实验研究

复合应力状态下YBCO超导带材脱层强度实验研究

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作者：吴海铭兰州大学

学位级别：硕士

YBCO二代高温超导带材(简称:YBCO超导带)相比低温超导线具有更高的临界转变温度和不可逆磁场及高磁场下优异的载流能力,跟一代高温超导带(主要指Bi系超导材料)相比成本更低、使用温度范围更宽,在超导电缆、超导电机、特别是高场内插磁... 详细信息

YBCO二代高温超导带材(简称:YBCO超导带)相比低温超导线具有更高的临界转变温度和不可逆磁场及高磁场下优异的载流能力,跟一代高温超导带(主要指Bi系超导材料)相比成本更低、使用温度范围更宽,在超导电缆、超导电机、特别是高场内插磁体等领域具有重要的应用前景,已成为未来超导材料应用的最主要形式。YBCO超导带是一个典型的层合材料,在运行过程中由于电磁力和热应力的作用会出现层间剥离(也称脱层)现象。现有的研究表明,脱层已成为YBCO超导带最主要破坏形式,一旦发生脱层,将引起超导材料临界电流的迅速降低,给超导装置运行带来安全隐患。已有的针对YBCO超导带材脱层强度的研究,不论是实验测量还是数值模拟,均仅考虑简单应力状态(主要是横向拉伸)下的脱层强度,而YBCO超导带在服役过程中,极低温、强电磁场及磁体支撑相互作用引起这一材料的构型发生改变,导致其真实的应力状态是同时承受拉伸和剪切应力的共同作用,增大了材料发生脱层的概率。本硕士学位论文以复合应力状态下的YBCO超导带材的脱层强度为研究对象,通过实验测试和数值模拟,给出了这种复合应力状态下该材料的脱层强度特征。同时,还考虑了剪切作用对YBCO超导带的临界电流退化的影响,主要成果有:首先,设计并研制了对YBCO超导带材进行复合应力状态(倾斜)条件下脱层强度测量的砧头以及相应的焊接固定夹具。以商业化的YBCO超导带为测试对象,开展了室温环境下YBCO超导带倾斜脱层强度的实验测量,实验过程中倾斜角度包括30度,37度,45度,60度四个角度,每组重复30次实验。采用三参数Weibull分布的数据处理方法对实验结果进行统计分析,得到了倾斜角度对YBCO超导带材脱层强度的影响规律。以99%可靠度为判据,给出了不同实验角度下该材料的许可应力。其次,设计了可对YBCO超导带材进行剪切加载的条形砧头和夹具,借此开展了YBCO超导带材在剪切应力作用下临界电流退化的规律研究,通过16组实验给出了剪切作用对该材料临界电流退化的影响特征,同时还用Weibull分布的方法统一表征了样品的剪切破坏强度,同样给出了该材料在99%可靠度下的许可剪应力。最后,基于Abaqus软件,建立了以上两类实验的数值模型,并开展了有限元分析。通过模型计算,给出了YBCO超导带材各层的应力分布特征,弄清了YBCO超导带材在倾斜脱层和剪切破坏过程中的应力演化及分布情况。

关键词： YBCO高温超导带材脱层强度复合应力状态临界电流退化剪切有限元分析

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超导股线与电缆力—电模型研究

超导股线与电缆力—电模型研究

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作者：杨廷兰州大学

学位级别：硕士

当达到材料的临界温度时,材料将出现电阻等于零的现象,这类现象称为超导现象,相应的这类材料被称之为超导材料。由于超导材料具有无阻载流能力、完全抗磁特性以及约瑟夫森效应,所以被广泛地应用于能源、交通、信息、医疗技术、国防和科... 详细信息

当达到材料的临界温度时,材料将出现电阻等于零的现象,这类现象称为超导现象,相应的这类材料被称之为超导材料。由于超导材料具有无阻载流能力、完全抗磁特性以及约瑟夫森效应,所以被广泛地应用于能源、交通、信息、医疗技术、国防和科学仪器等方面。国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)是目前世界上最大的多学科联合工程项目之一,其磁体系统的设计涉及到许多超导物理、超导材料以及超导力学的研究。超导电缆(Cable inConduit Conductors)是构成超导磁体的基础,CICC导体的性能退化是其可靠性设计与安全运营所关注的关键问题之一。由于CICC导体结构是经过多级结构复合而成的,而Nb3Sn股线作为CICC的基础部分,其力—电特性研究涉及应变、温度、磁场、n值等诸多方面,因此展开对超导股线与电缆力学行为的研究是十分必要的。本论文将Nb3Sn超导股线作为基本的研究对象,将股线等效成弹性曲杆,基于弹性细杆理论,建立股线的受力平衡方程,在考虑轴向热载和横向电磁载荷共同作用的情形下,首先计算二维情况下股线的力学特性,再将其推广到三维空间。在力学分析的基础上研究了股线的电学特性,采用平均积分法获得其电压—电流特征曲线,利用Summers定标率获得临界电流密度的相关量,最后再将获得的结果扩展到整个电缆层级,分析超导电缆的性能退化。本论文还分别研究了空隙率、n值、扭转角、特征波长、温度、磁场以及钽层厚度对超导电缆性能退化的影响。将股线内的超导丝和金属基体分别等效成电阻元件,考虑超导丝与金属基体、金属基体与金属基体的接触电阻,建立三维电路网络模型,参照基尔霍夫电流定律获得电网模型的本构方程,分析股线的输电特性。研究结果表明,在一定的范围内减小空隙率能在一定程度上有效提升超导电缆的性能;还可以定性地得到增加n值也可以提升超导性能;增加扭转角或者特征波长也可以达到降低临界电流退化的效果;降低温度及场强或者增加钽层厚度同样可以减小临界电流的退化;考虑股线外侧铜层的影响与不同的接触方式都能有效加深电流的传递深度。本论文的工作可望对CICC性能退化预测提供理论基础。

关键词： CICC Nb3Sn股线弹性细杆理论临界电流退化电路网络

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