高温超导电缆导体多层级结构在制备和使役过程中的多场耦合力-电行为研究

批准号：

12072136

项目类别：

面上项目

资助金额：

62.0 万元

负责人：

高原文

依托单位：

兰州大学

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：

高原文

关键词：

高温超导电缆多层级结构界面接触与滑移力-电-磁-热有效性能绕缆动力学仿真层离行为

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

以二代高温超导带材为基本结构单元，制备具有优越力学性能、超强载流能力，极高磁场强度的高温超导电缆和磁体是目前国际应用超导领域的热点研究。展开对制备过程和使役条件下高温超导磁体结构的多层级、多尺度、多场耦合非线性力学行为的系统研究，对其力-电-磁-热耦合性能进行有效表征，是高温超导磁体设计、制备的基础；也是保障其超导性能品质和运行安全的关键环节。基于此本项目将展开如下研究：1）探讨使役条件下超导带材的层离行为和主要影响因素；2）发展多层CORC缆完整的动力学仿真程序，优化关键绕制参数；3）探讨各种变形模式下，缠绕或绞扭超导带材间接触、滑移、摩擦和接触电阻特征；4）对高温超导铠装式电缆导体多层级、多场耦合力-电-磁-热性能进行表征，对其结构进行优化。通过以上研究，建立高温超导磁体结构多层级、多尺度、多场耦合的非线性理论框架和定量分析手段，为大型高温超导磁体的设计、制备和运行安全提供理论依据。

英文摘要

The design and manufacture of high temperature superconducting (HTS) cables, coils and magnets with excellent mechanical properties, high current carrying capacity and large magnetic field strength using the second-generation (2G) HTS tape as the basic structural element is one of hot topics in the applied superconducting field in the worldwide. The systematic study on the multi-stage, multi-scale and multi-field coupling nonlinear mechanical behavior of the HTS magnet structures under the fabrication process and the service conditions, and the effective characterization of the mechanical-electric-magneto-thermal coupling performance, are not only the basis for the design and manufacture of HTS magnets, but also the key point ensuring the superconducting performance and the operation safety of the HTS magnets. Based on this, some research works will be conducted in this project as follows: 1) study the delamination behaviors of 2G HTS tapes and discuss the key impact parameters under the service conditions; 2) develop the complete mimic dynamic model of wind process of multi-layer CORC, and optimize the key winding parameters; 3) investigate the contact, slippage, friction behavior and the contact electric resistance characteristics between the interfacial surfaces of 2G HTS tapes in the wraped or the twisted HTS tape stacks under various deformation modes; 4) characterize the multi-stage, multi-field coupling mechanical-electro- magnetic-thermal performance of HTS cable-in-conduit conductors (CICC), such as, CORC type CICC, Rutherford CICC and TSTC CICC, and optimize the structure configuration of HTS CICC. Based on the above research works conducted, we want to build the nonlinear theoretical framework and quantitative analysis method of the HTS magnet structures, and provide the theoretical support for the design, manufacture and operation safety of large scale HTS magnets.

本项目紧密围绕新型超导电缆和磁体结构在设计、制备和运营过程中的关键力学问题展开系统深入的研究。针对高温超导磁体的基本元件—二代高温超导带材，在考虑其随机界面强度和边缘裂纹特征的基础上，发展了新的界面缺陷模型，揭示了带材的脱层演化特征、边界裂纹的断裂特征及其对带材结构力-电行为的影响规律。建立了CORC电缆和Pancake超导线圈绕制过程的力学理论模型，首次给出了最小绕制预拉力的计算公式和产生松弛现象与鞍面反曲现象的原因，揭示了绕缆预拉力和绕制芯半径等因素对带-芯接触特征的影响。在此基础上，建立和完善了CORC电缆在横向压缩、扭转、以及拉伸和横向压缩联合情形下力-电行为的三维仿真模型以及力学载荷和横向磁场共同作用时三维CORC电缆的电磁行为分析模型，给出了CORC电缆的优化设计参数范围，揭示了载荷模式、加载顺序、电缆绕制参数和缆芯结构等对电缆临电电流特征、输运性能、交流损耗特征的影响规律。创建了超导电缆多孔介质的分形表征理论方法，获得了热传导模型中渗透率、压降和摩擦因子随分形维数变化的更为普适的表征公式。开发了计算多晶体弹性及断裂损伤的有限元分析模型，给出了温度、相变、预裂纹对多晶Nb3Sn的断裂性能的影响，探讨了Nb3Sn材料晶间裂纹的产生、演化和扩展过程。此外课题组也展开了其他一些新型超导电缆结构力电行为、力致失超特征的研究，包括TSSC,CICC和Rutherford电缆。通过上述研究，进一步建立和完善了多场环境下，不同层级的超导电缆、磁体系统的理论分析模型和框架、丰富了有效定量分析手段，揭示出不同使役条件下超导电缆、磁体系统力-电性能和力致失超的新特征、新规律。可为我国新型超导电缆和大型超导磁体的研发提供必要的理论支撑。在本项目支持下，课题组总计发表应用超导领域SCI论文20篇，其中7篇发表在国际公认的、该领域最好的期刊超导科学与技术（Supercond Sci Tech）上。培养从事超导力学研究的博士7名，硕士3名；在读博士研究生4名，硕士研究生5名。完成了课题的各项研究内容和预设目标。