CICC股线等效模量及力学性能分析

发布时间：2020-06-30 01:25

【摘要】：国际热核实验反应堆(ITER)托克马克是用来限制热等离子体产生核聚变反应的聚变机器之一。使用不同的超导磁体,如环形场(TF)线圈、极向场(PF)线圈和中央螺线管(CS)线圈,可以限制等离子体。这些大型超导磁体是用管道内电缆导体(CICC)建造的,其工作电流高达68kA,工作磁场高达12T。CICC超导电缆是由各级子缆逐步绞制而成,这种复杂的绞扭结构使其具有运行稳定性高、自支撑性良好、电流输送能力大、交流损耗小、电热稳定性高、耐高压等优点,但是同时也导致CICC超导电缆在制备和运行时内部的力学形变十分严重。因此,CICC超导电缆中各级子缆的力学性能研究,有助于进行超导磁体设计优化。本文基于均匀化理论和细杆理论,在对一级子缆等效杨氏模量进行研究的基础上,将等效杨氏模量理论扩展到四级子缆,建立了预测CICC超导电缆多级子缆等效杨氏模量的理论模型;然后分析了缠绕圈数对各级子缆等效杨氏模量的影响;同时建立了一级到四级子缆的有限元模型;将不同缠绕圈数的各级子缆等效模量数值解与理论解进行对比,验证理论模型的可靠性;结果给出了CICC超导电缆各级子缆的等效杨氏模量随缠绕圈数的变化规律,为合理设计缠绕模式提供了依据。继而根据多层螺旋结构力学行为的理论模型,建立了CICC各级子缆中Nb_3Sn股线最大正应力的理论模型,研究了多级子缆轴向应变与股线最大正应力的关系,分析了多级子缆螺旋角对股线最大正应力的影响。同时建立了子缆简化的有限元梁-壳模型,将各级子缆中股线最大正应力理论解与数值解对比,验证理论模型的正确性。研究结论总结为:多级子缆轴向应变和股线最大正应力近似线性关系;随着螺旋角的减小,多级子缆最大正应力逐渐减小。本文采用理论模型与数值模型相结合的方式,对CICC超导电缆中各级子缆的力学行为进行了基础性的研究。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL631.24
【图文】：

零电阻效应,迈斯纳效应

图 1-1 零电阻效应(a)和迈斯纳效应(b)[1,2]1935年，LondonF和LondonH[3]为了描述超导体性质总结出了了伦敦方程敦方程是根据牛顿第二定律和麦克斯韦方程提出，并且合理的解释了超导体斯纳效应和零电阻现象。1950 年，Landau 和 Ginzburg[4]根据二级相变使用数研究超导相变提出了著名的超导唯象电性 Ginzburg-Landau 方程，通过论把参量 k 作为分界点将超导材料分为第 I 类和第 II 类两类超导体。第 I 类体只有一个临界磁场，当施加的外部磁场大于临界磁场，此时 Meissner完全失效，超导材料恢复到电阻或正常状态其超导性完全丧失。另一方面，I 类超导体有两个临界场值，和。施加的外部磁场在以下时，超导现出完美的磁通排斥。施加的外部磁场在以上但在以下时，超导体处合态，发生部分磁通量穿透，但仍保持超导。施加的外部磁场在比大一个级的以上，超导性就丧失了。临界场范围的增大使得 II 型超导体更适用体应用。1957 年，Bardeen、Cooper 和 Schrieffer[5]在声子和电子作用很弱的下以近自由电子模型为基础建立了 BCS 理论，超导电流被解释为 Cooper 对

超导材料,临界温度

兰州大学硕士学位论文 CICC 股线等效模量及力学性能分析氧化物 Ba-La-Cu-O 材料进行研究，发现其临界温度超过了 30K，使这一发现如此引人注目的是，陶瓷通常是绝缘体，它们根本不通电。因此，研究人员没有考虑到它们可能是高温超导体的候选者。1987 年美国休斯顿大学朱经武等人和中科院物理所赵忠贤等人[10-11]各自独立的制备出临界温度超过 90K 的 YBaCuO 陶瓷高温超导体，这标志着超导材料能在液氮温区下应用，使超导材料能大规模的应用于工程。接着，临界温度为 125K 的 Tl-Ba-Ca-Cu-O[12]、临界温度为 135K 的Hg-Ba-Ca-Cu-O[13]、临界温度为 164K 的 Hg-Ba-Ca-Cu-O[14]等高温超导材料相继被人们所发现。21 世纪以来，Ksenofontov 等人[15]发现在极高压环境中 H2S 高温超导体的临界温度超过了 200K。Takahashi 和赵忠贤等人[16,17]还在铁基材料中发现了铁基超导。图 1-2 为超导材料临界温度随时间变化图。

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