高温超导体的热—电—磁耦合断裂力学分析

论文摘要

高温超导体具有较高的临界温度,较大的临界电流密度并且可以捕获较大的磁场。这些优秀的材料特性使得高温超导体被广泛应用于制备超导磁体和超导电缆。高温超导材料的大规模运用要求其必须能够在各种复杂的环境下工作且避免失效。在超导材料的使用过程中,热应力、电磁力以及其他机械应力都可能使得制造加工过程中存在的微小裂纹扩展并最终导致断裂,超导材料承载电流的能力将受到较大影响。考虑磁化过程中的温升以及捕获场下冷却剂温度的波动时,超导材料内部的热应力,电磁力将因此发生变化。超导结构的断裂性能将受到温度变化的影响。研究这种热-电-磁-力耦合断裂问题时,不考虑温度对临界电流密度影响的准静态超导临界态模型已经不在适用。本论文将基于同时考虑温度、磁场以及电流三者关系的广义超导临界态模型研究超导材料的热-电-磁-力耦合断裂问题。本论文首先以单层高温超导体板为研究对象,忽略裂纹对热传导的阻碍作用以及结构中的热应力,研究磁化过程中温升对应力强度因子的影响。研究中考虑温度对电流和磁场的单向耦合,这使得温度变化引起电磁力的变化。研究结果发现温升将使脉冲磁场磁化过程中的外加磁场下降阶段对应的应力强度因子变化出现峰值,而且温升越大峰值越高,此时裂纹存在扩展的危险。在此基础上建立了含基底的高温超导体板模型,考虑裂纹对热传导的阻碍作用。此时温度对力、电流以及磁场均有单向耦合,温度变化将使超导体内部的热应力和电磁力发生变化。研究对比了结构中的热应力与磁致应力。结果表明,在热传导的初期热应力强度因子占支配地位,热传导后期磁致应力强度因子占支配地位。另外,基底的厚度和弹性模量增大使场冷却磁化和零场冷却磁化过程中的应力强度因子下降,而将使热传导过程中的热应力强度因子增大。双悬臂梁是研究断裂问题的主要实验模型。本论文最后建立了以内聚力模型为基础的双悬臂梁理论模型,用以探究在不同磁场下的剥离力-位移曲线。研究结果发现张开电磁力的作用下超导双悬臂梁的裂纹易于扩展。裂纹较小的超导双悬臂梁对磁场的振荡具有良好的适应性,而裂纹较大的超导双悬臂梁在磁场下降时更容易断裂。另外,有限元结果表明理论模型误差小于5%。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王艺权

导师: 郑亮

关键词: 高温超导体,热电磁力耦合,广义超导临界态模型,断裂,双悬臂梁,内聚力模型

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学,物理学

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 深圳市基础研究学科布局项目:空间太阳能电站高温超导电缆(超导多层带材)的热-力-电-磁耦合行为及断裂特征研究

分类号: O346.1;O511.3

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.006342

总页数: 72

文件大小: 2347k

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标签：高温超导体论文;  热电磁力耦合论文;  广义超导临界态模型论文;  断裂论文;  双悬臂梁论文;  内聚力模型论文;