高温超导块材磁化过程中的应力分布研究

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高温超导块材具有较高的临界电流密度,低温下有较强的俘获磁场能力,这使得其在许多领域具有广泛的应用前景。但是高温超导块材属于脆性材料,抗压不抗拉,在对其充磁过程中,可能会因过快的外磁场变化速度而被内部的电磁应力破坏,最终导致块材性能减弱或失效。因此在充磁过程中,高温超导块材的力学特性研究是该领域重要课题之一。目前,对超导块材的力学特性研究主要采用临界态模型,或者采用临界态Bean模型结合粘性磁通流动速度的方法,本文采用临界态Kim模型结合粘性磁通流动速度,研究了高温超导块材在充磁过程中不同外磁场卸载速度下的应力分布问题。论文的主要内容如下:首先,将Kim模型与粘性磁通流动速度相结合,推导了外磁场变化速度(db_a/dt)的表达式,得出了db_a/dt与粘性磁通流动速度和外磁场三者之间的关系,这与将Bean模型与粘性磁通流动速度结合得出的db_a/dt表达式不同。用Bean模型得出的db_a/dt表达式中,只包含粘性磁通流动速度项;而用Kim模型得出的db_a/dt表达式中,不仅包含粘性磁通流动速度项也包含外磁场项。在此基础之上取不同db_a/dt的值,本文讨论了矩形超导块材零场冷却和场冷却充磁过程中内部的应力分布。结果显示:在零场冷却下,块材内部的应力在磁场激活区域随db_a/dt的增大而增大;在场冷却下,随db_a/dt的增大,最大应力保持不变,但是其出现的位置点不断向块材边缘位置移动。其次,在圆柱形高温超导块材零场冷却充磁过程中,分析Kim模型特征参数p对块材应力分布的影响,本文对比了Bean和Kim模型下所得块材内部应力的不同。当p取0.1时,运用Bean和Kim模型分别求得的径向应力分布基本相同;当p取1时,运用Kim模型所求得径向应力比运用Bean模型所求得径向应力大。在此基础之上,在不同db_a/dt的值下,讨论了圆柱形超导块材零场冷却和场冷却充磁过程中径向和环向应力分布。结果显示;在零场冷却下,径向和环向应力都随db_a/dt的增大而增大且径向应力始终不小于环向应力;在场冷却下,最大径向和环向应力随db_a/dt的增大而增大,且最大应力出现的位置点不断向块材边缘位置移动。最后,在不同的外磁场卸载速度下,分别运用第一、第二和摩尔强度理论对矩形和圆柱形高温超导块材进行了强度分析。结果显示,在矩形和圆柱形高温超导块材零场冷却充磁过程中,摩尔强度理论所得的相当应力比第一、第二强度理论所得的相当应力要大,因此摩尔强度理论更适合对矩形和圆柱形高温超导块材强度分析。
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