新型超导带材及其电缆多级结构的力-电-磁-热多场耦合问题研究
批准号:
12072101
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
苟晓凡
依托单位:
学科分类:
极端条件下材料与结构力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
苟晓凡
中文摘要
超导材料与结构的研发水平关乎一个国家的科技竞争力与战略安全。当前,我国在大科学装置(如强磁场装置)、能源领域(如托卡马克装置)以及需要突破技术垄断的核磁共振等方面,与发达国家相比有差距。而与超导结构设计相关的关键力学问题研究相对滞后,严重制约着相关工程的研发水平。近期,为了应对高性能磁体工程的挑战,一种以螺旋线方式绕制超导电缆(CORC)的概念被提出。针对这种超导带材多级多尺度复杂结构,本项目着重研究在极低温、高磁场以及强载流这种极端环境下的力-电-磁-热多场耦合问题。通过理论建模、数值计算和实验验证相结合的方法,准确评估超导结构应变,得到具体的耦合作用规律,特别是弄清楚热失超发生机理及其发展过程中的热传播特性。依此为基础,探索改进并优化超导电缆结构的绕制方式,使得其在保持良好导电性能的同时,又能保证结构运行安全。最终,为超导结构安全监测和保护提供坚实的理论支撑。
英文摘要
The research and development level of superconducting materials and structures is related to a country's scientific and technological competitiveness and strategic security. At present, China is relatively backward compared with developed countries in terms of big scientific instruments (such as strong magnetic field devices), energy fields (such as Tokamak devices), and nuclear magnetic resonance (NMR), which needs to break through technological monopoly. The root cause of the above problems lies in basic researches. However, the basic research related to mechanics lags behind, which seriously restricts the research and development level of related engineering. In order to meet the challenge of engineering applications of superconducting magnets, a superconducting cable (CORC model) wound in spiral mode is proposed. For this multi-stage and multi-scale structure of superconducting cables and coils, this project studies the coupling of mechanics, electromagnetics, and thermal properties under extreme conditions of low temperature, high magnetic field and strong current. Through the combination of theoretical modeling, numerical simulation and experimental verification, we will accurately evaluate the total strain of the superconducting structure and obtain specific coupling action rules, especially to clarify the occurrence mechanism of Quench and its heat propagation characteristics during the quench process. On the basis, we further try to improve and optimize the winding mode of superconducting cable structure, and make the superconducting structures maintain the balance of high conductivity and mechanical safe operation. Finally, the study on the project can provide solid theoretical support for safety monitoring and protection of superconducting structures.
超导材料与结构的是当前国际科技的研发热点,是事关国家能源、大型强磁场科学装置及核磁成像等高技术的核心所在。而超导结构中关键力学问题的研究,对于超导材料制备和超导结构如超导磁体的设计和制造起到非常关键的作用。本项目针对一种新型的电缆结构-超导带材以螺旋线方式绕制而成的CORC超导电缆,着重就力学变形,以及力-电-磁-热多场耦合问题开展研究。主要研究内容有,1)CORC 电缆及其线圈多级结构力-电-磁-热多场耦合问题的理论框架,2)CORC 电缆及线圈的变形分析,及其力-电-磁耦合行为,3)CORC 电缆及线圈结构热失超问题。主要研究成果有,1)针对CORC电缆绕制和变形,建立了分析基本力学变形的解析分析理论,和力-电-磁-热多场耦合问题的数值研究框架。2)精确获得了CORC电缆绕制和变形过程中超导带材的基本力学量,特别是轴向应变,给出了给定超导带材不可逆应变的电缆绕制关键参数和临界电流-应变关系。3)对于单层或多层超导带材绕制而成的CORC电缆,数值模拟了热失超发展演化过程,揭示了其电-热耦合失稳机理。其中若干重要结果为,得到了CORC电缆绕制采用不同带材的临界芯径,和电缆弯曲的临界曲率半径;针对常用商业超导带材@SCS2030和@SCS4050的研究发现,其最佳缠绕角分别为45° 和50°。依托此项目,共发表期刊论文18篇,其中有 1篇编辑精选(Computational Materials Science,2021)和1篇期刊综述(Fundamental Research,2024.)以上研究成果,为高性能超导带材的制备,和CORC电缆的优化设计提供了直接的理论依据,推动了我国超导材料与结构力学的相关研究发展。
超导材料与结构电磁-力学双向耦合非线性力学行为研究
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批准号:--
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项目类别:重点项目
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资助金额:290万元
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批准年份:2022
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负责人:苟晓凡
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依托单位:
新型超导带材及其电缆多级结构的力-电-磁-热多场耦合问题研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:62万元
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批准年份:2020
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负责人:苟晓凡
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依托单位:
多晶超导薄膜电流-应变本质依赖关系的多尺度研究
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批准号:11672100
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2016
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负责人:苟晓凡
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依托单位:
超导多芯圆线复杂微结构对其宏观力-电-热耦合特性的影响
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批准号:11372096
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项目类别:面上项目
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2013
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负责人:苟晓凡
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依托单位:
高温超导带材的力学特性及其对超导电性的影响
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批准号:10972071
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项目类别:面上项目
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资助金额:40.0万元
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批准年份:2009
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负责人:苟晓凡
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依托单位:
超导悬浮的磁通运动机理及其对悬浮动力稳定特性的影响
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批准号:10502019
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2005
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负责人:苟晓凡
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依托单位:
国内基金
海外基金