高温超导复合结构磁隐形及力学特性

发布时间：2017-09-16 03:41

  本文关键词：高温超导复合结构磁隐形及力学特性

  更多相关文章： 高温超导体 磁隐形 力磁耦合 临界态模型 变分不等式 电磁体力 界面裂纹 虚拟裂纹闭合法

【摘要】：超导材料在科学研究和工程应用等领域具有重要的应用。由于具有普通材料不具备的特性使超导材料自身的电磁行为较为复杂。一方面,超导材料因具有显著的抗磁性而被应用于电磁屏蔽装置中,可实现电磁场中的隐形。另一方面,磁通钉扎作用使高温超导体在变化磁场中受到电磁体力,导致超导体内产生应力和变形。强磁场中的复杂电磁体力会使原本脆性且含有较多缺陷的高温超导体发生裂纹扩展甚至结构破坏。保证超导设备和器件在电磁场中运行的安全性和稳定性始终是超导研究中长期关注的基础性课题。本论文针对高温超导复合结构在磁场及载荷作用下的静磁隐形、电磁行为和断裂特性展开研究。首先,本文考虑了超导-铁磁层状结构的隐形特性。假设超导材料具有完全抗磁性,基于铁磁材料力磁耦合本构关系推导了在均匀磁场下实现完美磁隐形时铁磁材料磁导率需满足的关系式。数值模拟结果表明仅通过对铁磁材料施加剪应力便可改变超导体的电磁响应。非均匀磁场情形下该结构的隐形性能会受到力学载荷的影响,本部分的研究提供了一种通过施加恰当的力学载荷来调节超导体电磁行为的方法。其次,基于线弹性压磁耦合模型和反平面剪切变形,研究了力学载荷对超导-铁磁结构的电磁响应的影响。通过数值求解力磁耦合方程得到铁磁体在力学载荷作用下自身及周围的磁场分布。利用临界态Bean模型给出了超导带材的电流密度和磁场强度分布,进一步讨论了剪应力对超导带材磁化的影响。此外,利用临界态Kim模型讨论了超导体中的临界电流密度,通过对比不同超导-铁磁结构发现,超导体的临界电流密度与几何形状和力学载荷密切相关。对于不同结构,施加恰当的力学载荷可以提升超导体的临界电流密度。最后,研究了含有界面裂纹的超导涂层导体堆叠结构在磁场作用下裂纹尖端应变能释放率。应用虚拟裂纹闭合法(VCCT法)求解经典的界面裂纹问题且获得了较高的计算精度,证明此方法的可靠性。忽略裂纹对感应电流和磁场的影响,建立超导涂层导体堆叠结构模型,基于临界态Bean模型,借助Abaqus数值求解并采用VCCT法后处理,讨论了超导涂层导体堆叠结构的断裂行为,得到不同磁化过程、裂纹长度、裂纹位置、基底厚度等情况下结构界面裂纹尖端应变能释放率的变化情况,从而为堆叠结构的安全稳定性设计提供了一些参考。
【关键词】：高温超导体 磁隐形 力磁耦合 临界态模型 变分不等式 电磁体力 界面裂纹 虚拟裂纹闭合法
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM26
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 超导材料研究背景10-16
• 1.1.1 超导现象的发现及发展历程10-12
• 1.1.2 超导材料的分类12-14
• 1.1.3 高温超导体的应用14-16
• 1.2 研究现状与进展16-21
• 1.2.1 电磁隐形行为研究现状与进展16-18
• 1.2.2 高温超导材料力学问题研究现状18-21
• 1.3 本论文的主要研究工作21-23
• 第二章 超导-铁磁结构的磁隐形行为23-33
• 2.1 基本原理23-25
• 2.1.1 Maxwell电磁理论23-24
• 2.1.2 临界态模型24-25
• 2.2 模型建立25-26
• 2.3 基本方程26-29
• 2.3.1 极坐标系下力磁耦合本构关系26-27
• 2.3.2 边界条件27-28
• 2.3.3 铁磁体磁导率推导28-29
• 2.4 静磁隐形效果分析29-32
• 2.4.1 均匀磁场下隐形29-30
• 2.4.2 非均匀磁场下隐形30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 力学载荷下超导-铁磁结构的电磁行为33-45
• 3.1 基本方程33-35
• 3.2 力学载荷下简单超导-铁磁结构电磁响应35-37
• 3.2.1 建立模型35
• 3.2.2 模型分析35-36
• 3.2.3 磁化强度36-37
• 3.3 不同超导-铁磁结构下的临界电流密度37-44
• 3.3.1 Kim模型下临界电流密度计算37-38
• 3.3.2 F-S-F结构38-42
• 3.3.3 S-F结构42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 含界面裂纹超导带材堆叠结构断裂特性45-63
• 4.1 断裂力学知识46-49
• 4.1.1 裂纹模式46
• 4.1.2 应变能释放率46-48
• 4.1.3 虚拟裂纹闭合法48-49
• 4.2 经典案例验证49-52
• 4.3 模型建立52-58
• 4.3.1 超导带材堆叠结构52-54
• 4.3.2 不同磁场下磁场强度和电流密度54-55
• 4.3.3 无裂纹时超导带材应力分析55-58
• 4.4 边缘裂纹分析58-61
• 4.4.1 应力分布58-59
• 4.4.2 不同条件下的应变能释放率59-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第五章 结束语63-65
• 参考文献65-77
• 在学期间的研究成果77-78
• 致谢78

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