基于有限元法的高温超导体静动力悬浮特性研究

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高温超导磁悬浮车是通过永磁轨道与车载块状高温超导体之间的磁场相互作用实现车体的稳定悬浮,具有车轨结构简单可靠、行进方向无固有磁阻、悬浮/导向一体化等优点,成为当下轨道交通领域最具有变革性的前沿方向之一。本文在国家自然基金面上项目“磁轨不平顺随机激扰下高温超导磁悬浮车/轨耦合垂向动力学研究”的资助下,对高温超导磁悬浮静力学特性以及动力学特性开展数值仿真研究。(1)采用矢量电位法和磁场强度法推导出了二维平移对称情形下的高温超导磁悬浮电磁-力理论模型,通过有限元法和有限差分法建立了数值求解模型,并利用改进共轭梯度法对方程进行求解。(2)对高温超导磁悬浮系统的两种数值计算模型进行比较,结果表明矢量电位法对有限元网格的依赖性相对较弱。同种工况下采用磁场强度法进行计算所需划分的网格数约为矢量电位法的4倍,且计算速度较慢。进行悬浮力计算时,采用矢量电位法可得到更加精确的结果;而进行导向力计算时,采用磁场强度法可以更精确地对导向力数值及磁滞效应进行模拟。(3)目前高温超导磁悬浮实验车的载重能力仍需进一步提高。本文对常见的高温超导磁悬浮系统进行全局优化,在固定永磁用量的情况下得到最大的悬浮力,进一步提高磁悬浮系统的载重能力,优化后的系统悬浮力提升约5%。(4)目前高温超导磁悬浮系统振动解析模型一般采用拟合悬浮力/导向力的方式而忽略了非线性高阶分量,因此只能对振动特性定性分析,对实际设计指导价值有限。本文在数值计算模型的基础上,结合超导体的电磁本构关系以及牛顿第二定律,建立了高温超导磁悬浮系统的垂向以及横向振动模型。(5)采用上述模型,分别对高温超导磁悬浮系统悬浮和悬挂情形下的自由振动特性、自由振动过程中的非线性刚度和阻尼、系统垂向和横向分别在脉冲激励和简谐激励下的悬浮漂移特性以及混沌特性进行了研究。结果表明:垂向上,磁悬浮系统在简谐激励下会发生悬浮漂移,并且激励频率越大,系统的悬浮漂移量越小,激励振幅越大,系统的悬浮漂移量越大;横向上,磁悬浮系统当受到小于最大导向力的脉冲激励时,均能恢复到稳定位置;当施加简谐激励时,系统会发生横垂向悬浮漂移但漂移量较小,表现出较好的稳定性。采用Lyapunov指数研究了系统振动过程中的混沌特性。结果表明:当激励频率较小时系统呈现周期运动,当激励频率增大到一定程度时,系统呈混沌运动态;在增大激励振幅过程中,磁悬浮系统会先从周期运动转为混沌运动,再从混沌运动转为周期运动。(6)对轨道不平顺和磁场不平顺激励下高温超导磁悬浮系统的动态响应进行研究。仿真中提出采用磁化强度来更精确的模拟磁场不平顺,且将不平顺激励与高温超导磁悬浮有限元模型结合来更精确的计算不平顺激励响应。采用Sperling平稳性指标对高温超导磁悬浮系统进行平稳性评价,发现磁悬浮系统在不同工况的磁轨不平顺激励下均有较好的平稳性表现,表明了磁浮系统高速运行的潜力。(7)对高温超导磁悬浮系统运行过程中悬浮漂移的抑制作用的影响因素进行研究。结果表明:提高超导体临界电流密度既能提高悬浮性能又能提高系统运行的稳定性,可较好地抑制悬浮漂移量;引入外界阻尼可以提高磁悬浮系统的动态稳定性。同时给出了进一步抑制悬浮漂移的一些场冷过程中的相关措施。
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