【摘 要】
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绳缆型结构因其优异性能在诸多领域有较为广泛的应用,因此研究绳缆型结构在应用过程中的力学行为是优化其结构、提高其性能的关键。本论文选取了两种类型的绳缆型结构并对其力电行为进行了研究:应用于高能物理领域的卢瑟福型超导电缆,和应用于柔性电子设备领域的绳缆型柔性电池。卢瑟福型超导电缆的高临界电流密度特性使其应用于大型粒子加速器的高场磁体中。在磁体线圈缠绕过程中,线圈端部通常会观察到电缆的机械不稳定性现象,
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:高温超导复合线材的多场耦合多尺度力电行为及细观机制研究(编号:11572143); 国家自然科学基金面上项目:高温超导电缆导体多层级结构在制备和使役过程中的多场耦合力-电行为研究(编号:12072136)
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绳缆型结构因其优异性能在诸多领域有较为广泛的应用,因此研究绳缆型结构在应用过程中的力学行为是优化其结构、提高其性能的关键。本论文选取了两种类型的绳缆型结构并对其力电行为进行了研究:应用于高能物理领域的卢瑟福型超导电缆,和应用于柔性电子设备领域的绳缆型柔性电池。卢瑟福型超导电缆的高临界电流密度特性使其应用于大型粒子加速器的高场磁体中。在磁体线圈缠绕过程中,线圈端部通常会观察到电缆的机械不稳定性现象,极大地影响了线圈的缠绕性能和几何质量,降低了线圈的电磁性能。由于制备电缆的超导Nb3Sn材料具有应变敏感性,电缆在运行过程中的大应变会导致磁体输运性能的退化乃至失超。因此,探究电缆在磁体制造和运行过程中的力学行为是非常有必要的。基于此,本论文对卢瑟福型超导电缆在磁体缠绕过程中受到各种载荷时的力学行为,在极低温和高磁场中运行时的力电行为进行了研究。首先,发展了一种可以快速建立卢瑟福型超导电缆几何模型的方法,研究了该电缆在基本变形模式下的力学行为。在几何模型建立中,考虑了电缆中股线根数、股线缠绕角度、缆芯、手性等因素。该方法不受股线根数奇偶性的影响,可以快速建立适当长度的卢瑟福型超导电缆几何模型。基于此几何模型,建立了超导卢瑟福型超导电缆在基本变形模式下力学分析的有限元模型,并对电缆在受到拉伸载荷和Y轴方向弯曲载荷时出现的机械不稳定性进行了讨论,给出了提高电缆机械稳定性的建议。其次,建立了卢瑟福型超导电缆在单轴圆柱面缠绕和二轴圆锥面缠绕时的有限元模型。在模型中,考虑了磁体端部的形状、电缆的缠绕半径、电缆中股线的缠绕角度、电缆和线圈端部面之间的摩擦等因素的影响。基于此模型,研究了卢瑟福型超导电缆在线圈端部缠绕过程中的力学行为,分析了该电缆在缠绕过程中出现机械不稳定性现象的原因,给出了提高线圈缠绕过程中的电缆机械稳定性的建议。再次,研究了卢瑟福型超导电缆在4.2 K温度和19 T磁场下基本变形模式下的力-电行为。利用股线定标率,将电缆的应变和临界电流联系起来,分析了卢瑟福型超导电缆在受到单轴拉伸、横向压缩、单轴弯曲、轴向扭转等载荷时的临界电流变化情况。在计算中,考虑了电缆股线缠绕角度、股间摩擦、缆芯等因素的影响。针对研究结果,给出了延缓电缆临界电流快速变化的建议。最后,建立了绳缆型柔性电池在基本变形模式下的有限元模型。研究了绳缆型柔性电池在受到单轴拉伸、弯曲、扭转等载荷时的力学行为及其对电学性能的影响。在研究中,考虑了绳缆结构的股线缠绕角度和电池内部的摩擦等因素的影响,分析了绳缆型电池的力学行为对其电阻的影响,给出了应用于复杂载荷工况的绳缆型柔性电池结构优化的建议。
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