【作 者】：网站采编
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【摘 要】：文章目录 中文摘要 Abstract 第一章 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 超导复合材料与结构概述 1.1.2 超导体的失超现象及特征 1.1.3 失超检测与保护 1.2 研究现状 1.2.1 超导复合线/带材的失超研究 1.

文章目录

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景

    1.1.1 超导复合材料与结构概述

    1.1.2 超导体的失超现象及特征

    1.1.3 失超检测与保护

1.2 研究现状

    1.2.1 超导复合线/带材的失超研究

    1.2.2 超导电磁结构的失超研究

    1.2.3 失超检测和保护方法研究

1.3 本文的研究内容

第二章 基于广义热弹性理论的失超模型及分析

2.1 基于L-S广义热弹性理论的失超模型

    2.1.1 模型建立与基本方程

    2.1.2 有限元模型与数值求解

2.2 低温超导复合线材的失超及其热弹性耦合行为分析

    2.2.1 热波效应对失超发生及传播过程的影响

    2.2.2 失超过程中的热弹性行为

    2.2.3 失超传播速度

2.3 高温超导复合带材的失超及其热弹性耦合行为分析

    2.3.1 失超过程中的热弹性行为

    2.3.2 失超传播速度

2.4 本章小结

第三章 预应变下高温超导带材的失超及其热弹性行为分析

3.1 考虑预应变的热弹性耦合失超模型

    3.1.1 模型建立与基本方程

    3.1.2 参数选取与数值求解

3.2 预应变下高温超导Bi2223/Ag复合带材的失超特性

    3.2.1 失超演化过程

    3.2.2 失超传播速度

3.3 预应变下Bi2223/Ag带材失超过程中的热弹性行为

    3.3.1 应变和应变率的演化特征

    3.3.2 失超与未失超情形的比较

3.4 基于应变检测的失超保护分析

    3.4.1 失超保护过程中的热弹性行为

    3.4.2 基于应变和应变率判据的失超保护

3.5 本章小结

第四章 高温超导堆叠结构的失超特性及其热弹性行为分析

4.1 二维热弹性耦合失超模型

    4.1.1 模型建立与基本方程

    4.1.2 模型求解与参数选取

4.2 失超特性的定量模拟

    4.2.1 温度场分布及演化

    4.2.2 应变和应变率分布及演化

    4.2.3 失超传播速度

4.3 失超过程中的应力分析

    4.3.1 应力分布特征

    4.3.2 材料及结构特性对力学特征的影响

4.4 本章小结

第五章 超导线圈力-热-磁耦合失超模型及多场行为分析

5.1 考虑外磁场的力-热-磁耦合失超模型

    5.1.1 模型建立与基本方程

    5.1.2 数值模型与参数选取

5.2 多场耦合失超特性的定量模拟

    5.2.1 温度场分布及演化

    5.2.2 应变和应变率分布及演化

    5.2.3 外磁场对失超传播速度的影响

5.3 失超过程中的应力分析

    5.3.1 应力分布及演化

    5.3.2 外磁场对应力演化特征的影响

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录

在学期间的研究成果

致谢

文章摘要:超导材料因零电阻、迈斯纳效应等优异电磁特性而在现代能源、交通、电力电工、医疗、通信以及航空航天等领域均有着广泛而重要的应用前景。超导材料的超导特性需要在极低温等极端条件下才能得以实现,而且其往往运行于极低温、强磁场和大载流等复杂环境场中,各种微扰动（包括热、力、电、磁等）均极易导致材料超导特性的丧失而发生失超,严重威胁着超导电磁系统的运行稳定性和安全性。当前,超导材料与结构的失超问题依然是尚未得到有效解决的公开性和挑战性科学问题,并且直接影响着国际热核聚变实验堆（ITER）计划中托克马克大型超导磁体的功能实现与安全运行。高温超导材料由于具有高的热容量和临界温度,使得其失超传播速度低于低温超导材料两到三个数量级,其失超发生若不能得到及时、有效的预测,则会造成超导体永久性的破坏,已成为制约高温超导材料与结构发展的关键瓶颈问题。已有针对超导磁体失超的实验发现:失超发生瞬间,除了温度和电压有突升外,磁体内的应变也发生了显著突变,其可以作为失超检测的新方法,但相关的失超机制尚未得到有效揭示。针对超导复合材料与结构失超过程中的多场耦合特征及热弹性响应,本论文开展了超导复合材料及其电磁结构热弹性耦合失超机制的理论研究与探索,分别针对低、高温超导复合带材,高温超导复合堆叠、线圈等结构的多场耦合失超行为建立了有效的定量预测模型,深入探究与揭示了失超所引起应变、应变率等力学量的突变特征,以及失超发生、传播等过程中各力学、热学参量间的内在关联等。首先,基于Lord-Shulman（L-S）广义热弹性理论和超导材料的电流分流模型,建立了超导复合材料的一维热弹性耦合失超模型,获得了失超瞬间及其传播过程中的热弹性响应,并分析了热波效应对失超传播及其过程中热弹性行为的影响。研究结果表明:失超发生瞬间,超导材料内的热弹性应变、应变率发生突变,其应变率突变峰值对应于超导理论临界温度值,从理论上首次揭示了失超发生瞬间的应变突变现象,合理解释了已有的实验现象,并为基于应变的失超检测新方法提供了理论依据。对于Nb Ti/Cu低温超导复合线材的失超预测发现,考虑热波效应使得失超发生提前且传播速度减慢;对于REBCO高温超导带材的失超预测表明,失超传播速度及温度演化的计算结果与实验结果吻合良好,失超发生时刻应变率曲线发现突变,表现在斜率的变化,其变化幅度与超导复合带材基体金属层电阻率的温度依赖性密切关联,材料基体电学特性对高温超导失超特征的影响是不容忽视的。进一步,针对预拉伸作用下高温超导复合带材的失超行为与特征,考虑应变对临界电流的影响,建立了预应变下高温超导带材的热弹性耦合失超模型,定量分析了预拉伸应变对Bi2223/Ag高温超导复合带材失超发生、传播特征及其瞬态热弹性响应的影响及相关规律。结果表明:当预应变超过超导带材临界拉伸应变后,带材失超显著提前且传播速度随预应变的增大而加快,表现出预应变在一定程度上对高温超导材料失超特性的调控效应;其次,在预应变作用下,带材远离触发点处的应变和应变率演化曲线在失超到达前发生下降行为,且存在明显的极值点,理论计算结果与已有实验结果定性一致,以该极值点为判据有望更早地判断失超发生,实现一定的失超“预警”预测;进一步,通过分析带材失超保护过程中的热弹性行为,系统讨论了上述判据在带材失超保护中的可行性及其有效区间。相关研究可望为工程应用中高温超导的失超检测难题提供新途径,即通过预应变在某种程度上实现对失超的调控与有效检测。其次,针对大型超导磁体中普遍采用的堆叠结构,分别建立了分层和均匀化的二维热弹性耦合失超模型,深入探究了绝缘和浸渍材料对REBCO高温超导堆叠结构失超传播及其瞬态力学场演化的影响。结果表明:失超过程中结构内部应变和应变率仍存在与单带材中类似的特征点,这一结果说明基于应变和应变率极值点的失超判据仍可向高温超导结构的失超检测进行推广;在绝缘和浸渍层低热导率的影响下,堆叠结构失超传播具有显著的各向异性,其纵向的失超传播速度比横向传播速度高出约一个数量级;相对于均匀化模型,分层模型可真实反映瞬态变温引起的应力不连续等失超过程中的应力演化细节特征;此外,通过对浸渍材料力学、热学和几何特征的参数化研究发现,随着浸渍材料的弹性模量和厚度增加可有效降低失超热点处的纵向应变幅值。最后,针对高磁场下高温超导绝缘线圈的失超及其瞬态多场行为,建立了二维轴对称力-热-磁耦合失超模型,对不同外磁场下超导线圈的失超及其瞬态温度场、力学场的分布和演化进行了计算和分析。结果表明:多场环境中线圈瞬态应变和应力会呈现出更为复杂的演化行为,随失超发生和传播,线圈轴向各点的轴向应变和应变率曲线均出现规律性的下降和极值点,应变和应变率的失超判据仍适用于高温超导线圈中,可实现有效的失超检测;磁场对高温超导线圈的失超具有显著影响,随外磁场增大,线圈更易发生失超且失超传播速度显著加快;在洛伦兹力和失超瞬态变温的共同作用下,线圈失超区域内的轴向和径向应力呈现了从拉应力到压应力转变的特征等。

文章来源：《心理与行为研究》 网址: http://www.xlyxwyj.cn/qikandaodu/2022/0130/1131.html