復合超導線的熱彈性等效性能的分析與計算.pdf

1、在能源缺乏的當今社會，核聚變作為未來的清潔能源，越來越受到重視。大多數(shù)進行聚變反應的環(huán)境都位于托卡馬克裝置內(nèi)，為了適應超低溫、強電流和強磁場的環(huán)境，將超導電纜封裝成多級復合CICC結(jié)構(gòu)（Cable In Conduit Conductors）是非常有必要的。CICC結(jié)構(gòu)中最基礎的結(jié)構(gòu)就是Nb3Sn復合超導線。Nb3Sn復合超導線對于應變具有高度敏感的性質(zhì)，應變的變化會導致其臨界電場和臨界磁場的變化，所以針對Nb3Sn復合超導線的力學及熱

2、學等效性能研究極重要意義。
　　CICC結(jié)構(gòu)最大尺寸可達十幾米，其中Nb3Sn復合超導線尺寸在毫米量級、超導絲僅微米量級，如果直接對CICC結(jié)構(gòu)中的每一層級結(jié)構(gòu)進行建模，而不利用復合材料的細觀力學方法對Nb3Sn復合超導線進行等效處理再計算，不僅建模過程繁瑣，而且計算量極其龐大。所以利用復合材料中的細觀力學方法對該結(jié)構(gòu)的每一層級進行等效是研究該問題的可行途徑。針對Nb3Sn復合超導線的基本特征，本文采用二尺度均勻化方法，開展了相關(guān)

3、的力學熱學等效性能的分析研究。
　　二尺度均勻化方法是一種半數(shù)值半解析的方法，通過攝動的形式將宏觀的位移、應力、應變（位移場）或者將溫度、熱流（溫度場）等物理量進行展開，利用材料的本構(gòu)關(guān)系，得到與細觀尺度相關(guān)的級數(shù)形式的參數(shù)和一套控制方程。求解該方程能得到材料細觀尺度的等效模量和變形，同時，材料宏觀尺度的結(jié)構(gòu)響應驗證了方法的有效性。針對圓截面Nb3Sn復合超導線的結(jié)構(gòu)特征，本文采用柱坐標系，對溫度和位移進行攝動展開，實現(xiàn)了Nb3S

4、n復合超導線的導熱系數(shù)、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等有效性能預測。當環(huán)境溫度低于100K時，隨著溫度升高，復合超導線導熱系數(shù)經(jīng)歷先急劇升高后急劇降低過程；當溫度大于100K時，導熱系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。復合超導線的楊氏模量與剪切模量等值隨著溫度升高逐漸降低，熱膨脹系數(shù)隨著溫度升高而逐漸增大。利用二尺度方法對Nb3Sn復合超導線進行等效，求解力學、熱學等效參數(shù)，簡化了有限元對高層級結(jié)構(gòu)模擬分析的計算量。本文還考慮了超導絲各相體積分數(shù)對等效性能的影響