圆柱高温超导体中应力分布与断裂行为研究

发布时间：2020-08-14 14:59

【摘要】：高温超导材料可承载大电流与高俘获场的特性,已广泛应用于工程领域中,如:超导变压器,高温超导磁能存储,磁流体发电机,超导核磁共振波谱仪,超导量子干涉仪等。高温超导材料多为脆性陶瓷材料。制备过程中,不可避免存在夹杂、空洞、位错等缺陷。这导致高温超导体在实际应用过程中,由于缺陷的存在,将降低超导体的使用性能。因此高温超导体励磁过程中的力学特性,一直是研究者关注的重点。本学位论文主要基于非理想第II类高温超导块材,从理论上研究临界电流密度均匀与非均匀的高温超导体的力学稳定性与裂纹扩展的研究。首先,推导了电磁力作用下长圆柱高温超导体的应力分布表达式。再分析零场冷却和场冷却中降场阶段时,超导体体内的应力分布。对比临界态Bean模型、Kim模型,指数临界态模型的长圆柱超导体内部的应力分布与其它的模型是不同的,很好地描述了实验过程中,电磁体力先增大后减小的特性。此外,考虑高温超导体临界电流密度沿半径减小的非均匀指数模型,分析高温超导体磁化过程中,应力分布受非均匀性影响。结果表明,非均匀参数的不同对超导体内磁通密度的分布影响显著,将导致磁化过程中,应力分布的变化。其次,研究了基于指数临界态模型,含有中心贯穿裂纹的长圆柱超导体的断裂问题。利用有限元软件求解受电磁力加载的裂纹尖端处的应力强度因子。讨论指数模型下,不同磁化过程,外磁场、裂纹长度对含有中心贯穿裂纹的长圆柱超导体的应力强度因子的影响规律。并与临界态Bean模型和Kim模型对比,分析了指数模型的裂纹尖端应力强度因子的变化区别。为了更加全面探讨电磁力对超导体的裂纹的影响,引入临界电流密度沿着半径增大的非均匀模型,分析非均匀参数的变化对磁化过程中超导体中心裂纹应力强度因子的影响,为设计高温超导体的安全性有一定指导意义。最后,探讨了受金属套筒约束的中空圆柱高温超导体在励磁过程中的应力分布。利用平面应变方法,求解超导体内部的应力分布表达式与金属套筒与超导体之间的接触应力表达式。选用指数临界态模型的场冷却磁通密度分布,得到磁化过程中超导体内的应力分布,数据结果表明高温超导体与金属套筒的杨氏模量比,厚度比对超导体内的应力分布影响显著。通过对比无金属套筒约束的中空超导体,相同磁化条件下,受金属套筒约束的中空圆柱超导体的拉应力明显降低。选择合适的材料参数与金属套筒尺寸,将有效提高中空圆柱高超导体的力学性能。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM26

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本文编号：2793182