高温超导体与永磁体构成的悬浮系统具有悬浮力大、时间稳定性强且无需外界能量输入等优点,在能源、交通、材料科学等领域具有广泛的应用前景。研究超导体与永磁体之间的相互作用力及其在外界激励下悬浮体动态响应特征是该悬浮系统安全性与功能性设计的基石。目前已有大量研究针对高温超导悬浮系统准静态悬浮力,对系统在周期激励下的动态响应特性也有部分理论分析,但对系统在强激励作用下的非线性运动特征如混沌、分岔等现象都没有涉及,特别是悬浮体在非线性运动过程中自身的能量耗散及由此引起超导材料的温度变化这一关键科学问题一直没有得到研究。从实验研究的角度讲,主要难点在于当悬浮体呈现分岔、混沌等强非线性特性时,超导体表面温度的多点实时测量受到低温有限空间、感应电磁干扰等因素难以开展。从数值模拟的方面,高温超导体与永磁体之间相互作用力具有强的非线性,超导材料电磁本构关系同样具有强的非线性,超导材料表面热扩散过程也是具有强非线性特征,且均与悬浮体动力运动方程耦合,这些因素都给这个问题的解决带来了较大的难度。本博士学位论文针对高温超导悬浮系统在外界强激励作用下的动力响应问题开展实验和理论研究。自行研制高温超导材料表面温度、磁场实时测量的多点测试系统,对悬浮体动力运动过程中的悬浮力特性、表面磁场和温度特性进行了实验测量。在小组已有研究工作基础上,完成包含超导体温度扩散方程的数值求解程序,并进行验证。最后,实验验证了超导体内部裂纹尖端电流强度因子“-1”次幂的理论分析,为后续含有裂纹的超导材料电磁力及其变形特性研究提供了基础。主要研究工作如下:自行设计并完成悬臂梁形式的高温超导悬浮系统动态测试系统的设备。主要功能包括:永磁超导之间悬浮力实时测量、悬浮体时间响应实时测量、外界激励幅值实时测量和超导体表面温度多点实时测量。该系统力分辨率为mN量级,温度和位移测试精度分别为±0.1K和±5μm。实验中根据不同的初始场冷却高度、外加激励频率和振幅,获得四种类型非线性运动:倍周期分岔运动、混沌运动、4倍周期分岔运动和拍现象。测量了永磁体直径变化对悬浮体动力运动过程中表面温度的变化,得到永磁体直径对超导体表面温度的影响规律。同时在倍周期分岔运动初始时刻发现超导体温度跳跃现象,温度跳跃的幅值远大于临界温度。其次,采用有限元方法计算高温超导体电磁场和温度场以及系统非线性运动,在小组已有研究工作基础上编译程序并验证程序的准确性。计算忽略温度效应和考虑温度效应的悬浮体响应特性,给出系统发生倍周期分岔运动时相应结果。分析悬浮体宏观分岔运动与超导体内微观磁通运动之间的关系。最后,研究超导体内部裂纹对感应磁场和感应电流分布影响。小组已有针对超导体内部裂纹尖端临界电流分布特性的理论分析均考虑裂纹处于超导体的中心,这给实验研究带来一定的难度。为此,本论文考虑裂纹处于超导体边缘,同样得到裂纹尖端临界电流分布具有奇异性,且奇异性的阶数仍为“-1”。采用自行研制的超导体多点磁热测试系统,在超导体表面,裂纹周围布置16路探头,实时同步测量了场冷磁化过程中裂纹周围的磁场分布,并计算出裂纹周围的电流分布。实验结果显示裂纹尖端临界电流分布有奇异性,奇异性的阶数为“-1.37”,分析理论和实验结果的差异。