复合超导线的热弹性等效性能的分析与计算

发布时间：2017-06-23 07:10

  本文关键词：复合超导线的热弹性等效性能的分析与计算，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在能源缺乏的当今社会,核聚变作为未来的清洁能源,越来越受到重视。大多数进行聚变反应的环境都位于托卡马克装置内,为了适应超低温、强电流和强磁场的环境,将超导电缆封装成多级复合CICC结构(Cable In Conduit Conductors)是非常有必要的。CICC结构中最基础的结构就是Nb3Sn复合超导线。Nb3Sn复合超导线对于应变具有高度敏感的性质,应变的变化会导致其临界电场和临界磁场的变化,所以针对Nb3Sn复合超导线的力学及热学等效性能研究极重要意义。CICC结构最大尺寸可达十几米,其中Nb3Sn复合超导线尺寸在毫米量级、超导丝仅微米量级,如果直接对CICC结构中的每一层级结构进行建模,而不利用复合材料的细观力学方法对Nb3Sn复合超导线进行等效处理再计算,不仅建模过程繁琐,而且计算量极其庞大。所以利用复合材料中的细观力学方法对该结构的每一层级进行等效是研究该问题的可行途径。针对Nb3Sn复合超导线的基本特征,本文采用二尺度均匀化方法,开展了相关的力学热学等效性能的分析研究。二尺度均匀化方法是一种半数值半解析的方法,通过摄动的形式将宏观的位移、应力、应变(位移场)或者将温度、热流(温度场)等物理量进行展开,利用材料的本构关系,得到与细观尺度相关的级数形式的参数和一套控制方程。求解该方程能得到材料细观尺度的等效模量和变形,同时,材料宏观尺度的结构响应验证了方法的有效性。针对圆截面Nb3Sn复合超导线的结构特征,本文采用柱坐标系,对温度和位移进行摄动展开,实现了Nb3Sn复合超导线的导热系数、弹性模量、热膨胀系数等有效性能预测。当环境温度低于100K时,随着温度升高,复合超导线导热系数经历先急剧升高后急剧降低过程;当温度大于100K时,导热系数逐渐趋于稳定。复合超导线的杨氏模量与剪切模量等值随着温度升高逐渐降低,热膨胀系数随着温度升高而逐渐增大。利用二尺度方法对Nb3Sn复合超导线进行等效,求解力学、热学等效参数,简化了有限元对高层级结构模拟分析的计算量。本文还考虑了超导丝各相体积分数对等效性能的影响,当铜基体体积分数增大时,超导复合线导热系数增加,杨氏模量降低,热膨胀系数增大。
【关键词】：Nb3Sn复合超导线 二尺度渐进均匀化方法 等效模量 多级结构
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM26
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 研究背景与超导特性8-9
• 1.2 Nb_3Sn复合超导线有效性能的研究现状9-12
• 1.3 本文的主要研究内容12-14
• 第二章 复合材料等效方法及二尺度均匀化基本理论14-28
• 2.1 复合材料及相关等效方法介绍14-16
• 2.2 二尺度渐进均匀化理论16-24
• 2.2.1 二尺度均匀化理论的简要介绍16-17
• 2.2.2 渐进均匀化理论周期性结构的数学模型17
• 2.2.3 弹性问题二尺度均匀化理论与基本方程17-24
• 2.3 二尺度均匀化方法的有限元实现24-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 二尺度渐进均匀化方法的数值计算28-37
• 3.1 两相复合材料导热系数预测28-32
• 3.2 纤维夹杂的复合材料性能预测32-34
• 3.3 含孔洞周期性材料弹性性能预测34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 Nb_3Sn复合超导线有效模量等效37-52
• 4.1 关于不同类型Nb_3Sn超导线的相关介绍37-38
• 4.2 模型的简化和建立38-39
• 4.3 导热系数等效39-42
• 4.4 弹性模量等效42-48
• 4.5 热膨胀系数等效48-51
• 4.6 本章结论51-52
• 第五章 总结和展望52-54
• 5.1 本文主要结论52
• 5.2 展望52-54
• 附录54-55
• 参考文献55-59
• 致谢59

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本文编号：474246