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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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