一種脈沖充磁過程中矩形高溫超導(dǎo)塊材應(yīng)力的計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高溫超導(dǎo)塊材強電應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種脈沖充磁過程中矩形高溫 超導(dǎo)塊材應(yīng)力的計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大尺寸單疇RE-Ba-Cu-〇(RE指的是稀土元素）高溫超導(dǎo)塊材具有較高的臨界電流 密度，在低溫下有較強的俘獲磁通能力，這使得其在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng) 的場冷卻充磁（一般需要使用超導(dǎo)磁體獲得高磁場）相比，脈沖充磁具有結(jié)構(gòu)簡單和費用 低廉的特點。雖然單脈沖充磁后高溫超導(dǎo)塊材的捕獲場只有場冷卻充磁捕獲場的一半，但 是通過使用一些多脈沖技術(shù)，塊材的捕獲場可達(dá)到場冷卻捕獲場的90%。高溫超導(dǎo)塊材是 脆性陶瓷材料，其機(jī)械強度（尤其是抗拉強度）較小，而塊材在制作過程中其內(nèi)部不可避免 地會有微裂紋、微空隙的出現(xiàn)。在矩形高溫超導(dǎo)塊材脈沖充磁過程中，作用在塊材上的洛倫 茲力有可能導(dǎo)致其破壞，從而使超導(dǎo)電性局部或整體退化。矩形高溫超導(dǎo)塊材的最大捕獲 磁場受到材料力學(xué)特性的限制。
[0003] 由于現(xiàn)有對矩形高溫超導(dǎo)塊材在脈沖磁場作用下應(yīng)力的計算中超導(dǎo)本構(gòu)關(guān)系多 選擇臨界態(tài)模型，而臨界態(tài)模型給出的是塊材內(nèi)部準(zhǔn)靜態(tài)磁通運動時的磁場分布，因此應(yīng) 用臨界態(tài)模型求解塊材中電磁力所致應(yīng)力的計算中，都沒有包含外磁場的變化速度對應(yīng)力 大小和分布的影響。然而在實際進(jìn)行矩形高溫超導(dǎo)塊材脈沖充磁中發(fā)現(xiàn)充磁速度過快可能 導(dǎo)致塊材破裂，即充磁速度影響塊材內(nèi)部應(yīng)力的大小和分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠反映脈沖磁場變場速度對矩形高溫超導(dǎo)塊材應(yīng) 力影響的計算方法，使得矩形高溫超導(dǎo)塊材內(nèi)部應(yīng)力的大小和分布與脈沖磁場變場速度具 有定量關(guān)系。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種脈沖充磁過程中矩形高溫超導(dǎo)塊材應(yīng)力的計算方法，該方法包括如下步驟：
[0007]A.當(dāng)外磁場由初始值0開始增加時，磁通線進(jìn)入到超導(dǎo)體內(nèi)，矩形塊材內(nèi)部區(qū)域 分為磁通活動區(qū)和磁通非活動區(qū)；用 X(l表示進(jìn)入塊材內(nèi)部的磁通渦旋線的最前端坐標(biāo)位 置，則X(l <x<w區(qū)域為磁通活動區(qū)域，而0 <x<X(l為磁通非活動區(qū)域，矩形塊材沿x方 向的厚度為2w;同時考慮超導(dǎo)Bean模型和黏性磁通流動，得到塊材內(nèi)部磁場的分布為：
[0008]
【主權(quán)項】
1. 一種脈沖充磁過程中矩形高溫超導(dǎo)塊材應(yīng)力的計算方法，其特征在于，該方法包括 如下步驟： A.當(dāng)外磁場由初始值O開始增加時，磁通線進(jìn)入到超導(dǎo)體內(nèi)，矩形塊材內(nèi)部區(qū)域分為 磁通活動區(qū)和磁通非活動區(qū)；用Xtl表示進(jìn)入塊材內(nèi)部的磁通渦旋線的最前端坐標(biāo)位置，則 Xtl < X < w區(qū)域為磁通活動區(qū)域，而O < X < Xtl為磁通非活動區(qū)域，矩形塊材沿X方向的 厚度為2w ;同時考慮超導(dǎo)Bean模型和黏性磁通流動，得到塊材內(nèi)部磁場的分布為：
SM Ba(t) = μ 〇[Jc+( n U0 / φ0)] U0t, X0=W- u0t 其中，Ba(t)為外磁場磁感應(yīng)強度，J。是臨界電流密度（按照Bean模型，其為常數(shù)）， u C1為恒定的黏性磁通流動速度，Π 是磁通運動時的黏性系數(shù)，Φ C1是磁通量子數(shù)，為真 空中的磁導(dǎo)率； Β.對步驟A*Ba(t)的表達(dá)式兩邊關(guān)于時間t求導(dǎo)數(shù)，得到外磁場的變化速度為dBa / dt= μ ^ [Jtl+ ( η % / Φ J u ^，外磁場變化速度dBa/dt將與磁通流動速度u ^相關(guān)；對于不 同磁通流動速度u ^，如果η和Cjitl為常量，則隨著Utl的增大，dBa / dt也增大； C. 將步驟A中B(x，t)和Ba(t)的表達(dá)式帶入矩形高溫超導(dǎo)塊材應(yīng)力計算一般的表達(dá) 另
，得到外磁場增加過程中與黏性磁通流動速度相關(guān)的應(yīng)力分布； D. 當(dāng)外磁場由Bm減小時，同樣用Xtl代表磁通渦旋線方向發(fā)生反轉(zhuǎn)的最前端，即 O彡X彡Xtl區(qū)域內(nèi)磁場沒有發(fā)生變化，稱為磁通非活動區(qū)域；X(I〈X彡w的區(qū)域磁場發(fā)生了變 化，稱為磁通活動區(qū)域；同時考慮超導(dǎo)Bean模型和黏性磁通流動，得到脈沖磁場減小過程 中矩形塊材內(nèi)部磁場的分布為：
E. 對步驟D中Ba(t)的表達(dá)式兩邊關(guān)于時間t求導(dǎo)數(shù)，就可以得到外磁場下降速度為 dBa / (1?=-μ(ι[1+(η υ。/ Φ。)] u。，外磁場減小的速度dBa / dt將與磁通流動速度相 關(guān)。對于不同磁通流動速度u ^，如果η和t為常量，則隨著u ^的增大，|dBa / dt I也 增大； F. 將步驟D中B(x，t)和Ba(t)的表達(dá)式帶入矩形高溫超導(dǎo)塊材應(yīng)力計算一般的表達(dá)
，得到外磁場減小過程中與黏性磁通流動速度相關(guān)的應(yīng)力分布。
2. 如權(quán)利要求1所述的計算方法，其特征在于，所述矩形高溫超導(dǎo)塊材為大尺寸單疇 RE-Ba-Cu-O高溫超導(dǎo)塊材。
【專利摘要】一種脈沖充磁過程中矩形高溫超導(dǎo)塊材應(yīng)力的計算方法。該方法同時考慮超導(dǎo)Bean臨界態(tài)模型和磁通的黏性流動，計算脈沖充磁過程中外磁場由0增加到最大值BM的過程中，磁通密度分布關(guān)系式；得出外磁場增加速度與矩形塊材內(nèi)部黏性磁通流動速度之間的定量關(guān)系；得到外磁場增加過程中與黏性磁通流動速度相關(guān)的應(yīng)力分布。脈沖外磁場由最大值BM減小到0的過程中，得到外磁場減小過程中矩形塊材內(nèi)部磁通密度分布的關(guān)系式；推導(dǎo)了外磁場減小速度與矩形塊材內(nèi)部黏性磁通流動速度之間的定量關(guān)系；得到外磁場減小過程中與黏性磁通流動速度相關(guān)的應(yīng)力分布。與臨界態(tài)模型計算矩形高溫超導(dǎo)塊材應(yīng)力的計算方法相比，該方法能反映外磁場變化速度對矩形塊材內(nèi)部應(yīng)力大小和分布特征的影響。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104750961
【申請?zhí)枴緾N201310747023
【發(fā)明人】楊勇
【申請人】北京有色金屬研究總院
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2013年12月30日