40T混合磁体中外超导磁体结构性能仿真分析

发布时间：2020-07-10 18:11

【摘要】：40T混合磁体装置是国家“十一五”重大科技基础设施项目——稳态强磁场实验装置中最关键的装置。它的建成为凝聚态物理、化学、材料科学、地球科学、生物学、生命科学和微重力等学科的前沿研究提供宝贵的强磁场平台,也是我国的强磁场水平跻身于世界先进行列重要标志之一。本论文主要通过有限元仿真计算对外超导磁体中结构部件从力学、热学、电磁学等方面进行了仿真分析。首先,本论文通过2D建模对在三种工况下的超导线圈内的铠甲和绝缘材料进行力学性能仿真分析并根据ITER结构设计相关准则进行校核。再通过三维建模结合等效参数预测理论和有限元分析子模型方法对超导磁体中铠甲进行力学性能分析,并将分析结果与二维分析结果对照比较。然后,本论文对液氮冷却的80K冷屏进行了热学分析和自重下的力学分析,讨论了多层绝热对冷屏降温的必要性。接着通过有限元仿真计算分析了在极端工况下混合磁体测试过程中出现的无氧铜冷屏内筒膨胀破裂的原因,再基于分析结果重新设计并校核新冷屏内筒。最后,本论文通过电压驱动和电动势耦合的方法结合非等面积电流分配法模拟仿真了水冷磁体掉电、超导磁体失超过程中超导磁体、水冷磁体与冷屏内筒三者之间通过互感相互作用的过程。并定性说明了在掉电和失超过程中内冷屏的存在对超导磁体和水冷磁体的影响。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O511.3
【图文】：

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第１章绪论稳态强磁场实验装置是国家发改委支持的“十一五”国家重大科学院合肥物质科学研宄院为项目的法人单位，中国科学技术大学为项目的。项目总体建设目标是：建设一台４０Ｔ稳态混合磁体实验装置和一系途的高功率水冷磁体、超导磁体实验装置，为开展凝聚态物理、化学、等学科前沿研究提供强磁场平台，也使我国的强磁场水平跻身于世界。逡逑如图丨．２所示４０Ｔ混合磁体系统主要由外超导磁体和内水冷磁体、真源系统、低温系统、测量控制保护系统、去离子水系统和氦泄放系统内说冷磁体由Ｆｌｏｒｉｄａ－Ｂｉｔｔｅｒ片组成，最高工作在３９８００Ａ电流下，在以产生３４Ｔ的中心场；外超导磁体由Ｎｂ３ＳｎＣＩＣＣ导体组成，工作在流时可以产生１１．３Ｔ的中心场。超导磁体和水冷磁体在系统中相对位．３所示。混合磁体的设计在保证４０Ｔ稳态磁场的总体项目要求下，具强磁场中心保持的４５Ｔ稳态最高磁场世界记录的能力。逡逑

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．．本文采用ＡＮＳＹＳ１７．０有限元分析软件对线圈正常态下的绕组强度进行分析逡逑为了简化有限元分析模型，本文作了如下假定：逡逑１）假定绕组完全具有轴对称性，不考虑绕组内导体的实际绕制走向及填充逡逑块的形状与位置，同时认为有限元模型中的各匝导体沿径向和轴向周期性排列；逡逑２）不考虑导体中各级子缆的扭绞情况，将超导电缆等效为一种均匀的材料，逡逑并且假设它与铠甲内壁不脱节（粘接在一起），这样可以大大简化分析模型并提高逡逑运算速度。逡逑２．４．２有限元建模、网格划分及边界条件的设定逡逑基于上文对超导线圈简化假定，对整体超导线圈的平面模型的１／４进行详细逡逑的２Ｄ建模分析。用二维８节点四边形电磁单元ｐｌａｎｅ２３３对超导线圈、水冷线圈逡逑及空气进行建模，远场单元为ｉｎｆｍｌ邋１０。首先进行电磁分析，再用二维８节点四逡逑边形结构单元ｐｌａｎｅ１８３替代超导线圈中的ｐｌａｎｅ２３３单元，调用电磁分析结果对逡逑超导线圈进行力学分析。混合磁体１／４模型如图２．１所示，其中超导磁体线圈放逡逑大图和超导磁体线圈网格划分如图２．２所示。逡逑

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Ｃ导体逦Ｄ导体逡逑图２．３超导磁体导体尺寸图逡逑由于平面２Ｄ超导磁体线圈模型中导体数量较多且有一定的排列规律。超导逡逑线圈分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个线圈，４个线圈中有三种不同规格的导体如图３所示，逡逑１４逡逑

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