静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化的耦合模型

Nb3Sn超导材料主要用于强磁场超导磁体的制造。力学变形诱导的其超导临界性能退化给强磁场超导磁体装置的电磁性能指标和安全运行造成了极其不利的影响。针对静水压作用下，Nb3Sn单晶体和多晶体表现出的不同退化行为，本文基于Maki De Gennes（MDG）关系式，建立了描述Nb3Sn单晶体变形-超导临界温度耦合响应的本构关系，并借助于多晶体有限元方法，对静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化响应进行了预测，预测结果与实验结果定性吻合。模型实现了从Nb3Sn单晶体到Nb3Sn多晶体变形-超导临界温度退化响应曲线的一致性预测。研究结果有助于提高对Nb3Sn高场超导材料变形-超导电性能耦合行为的认识，为发展描述运行工况下Nb3Sn超导材料力-电磁-热多物理场多尺度耦合行为的建模与数值计算方法提供了一定的基础；同时，相关结果对于特殊工况下高场超导磁体性能的评估和高应变耐受性超导材料的制备也具有一定的指导作用。     

静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化的耦合模型

Nb3Sn超导材料主要用于强磁场超导磁体的制造。力学变形诱导的其超导临界性能退化给强磁场超导磁体装置的电磁性能指标和安全运行造成了极其不利的影响。针对静水压作用下,Nb3Sn单晶体和多晶体表现出的不同退化行为,本文基于Maki De Gennes（MDG）关系式,建立了描述Nb3Sn单晶体变形-超导临界温度耦合响应的本构关系,并借助于多晶体有限元方法,对静水压作用下Nb3Sn多晶体超导临界温度退化响应进行了预测,预测结果与实验结果定性吻合。模型实现了从Nb3Sn单晶体到Nb3Sn多晶体变形-超导临界温度退化响应曲线的一致性预测。研究结果有助于提高对Nb3Sn高场超导材料变形-超导电性能耦合行为的认识,为发展描述运行工况下Nb3Sn超导材料力-电磁-热多物理场多尺度耦合行为的建模与数值计算方法提供了一定的基础;同时,相关结果对于特殊工况下高场超导磁体性能的评估和高应变耐受性超导材料的制备也具有一定的指导作用。     

Nb3Sn超导线圈力学性能精确分析的双向均质化方法

Nb₃Sn超导磁体运行时产生很高磁场, Nb₃Sn超导线圈会受到很强电磁体力的作用, 从而会产生很大的力学应变. 由于Nb₃Sn超导材料的应变敏感性, 会使得Nb₃Sn磁体线圈的临界性能退化, 这对磁体的安全稳定运行造成极大影响, 所以精确计算超导磁体在电磁体力下的力学行为具有重要的科学意义. Nb₃Sn超导磁体主要是由超导线绕制成线圈结构再经过环氧树脂固化而成, Nb₃Sn超导线是主要由多根微米级的超导芯丝、铜形成的复合结构, 所以从超导芯丝到超导磁体其尺寸跨越了几个数量级, 从而给精确分析超导线圈力学变形带来挑战. 本文首先采用代表性单元均质化方法分析了整体线圈的等效力学参数, 通过对比等效均质化模型与线圈真实结构的计算结果, 发现等效均质化模型存在很大的误差. 因此, 提出一种高精度而且计算代价低的双向均质化分析方法, 研究超导线圈内各组分材料(Nb₃Sn芯丝、铜和环氧树脂)应力-应变分布. 该方法不需要进行大规模的数值建模, 并且与真实复合线圈下的结果对比吻合很好, 由此验证了该方法的有效性和准确性. 最后基于提出的双向均质化分析方法, 详细讨论了Nb₃Sn超导线圈各层材料在电磁力作用下应力-应变随匝数和层数的变化规律.      

考虑纤维断裂特征的Nb3Sn股线统计拉伸强度和失效概率

Nb₃Sn 超导复合股线在强磁场工程中有着重要的应用,其拉伸强度为保证和评估其长期服役安全的一个关键参数。本文从 “剪滞”理论出发,利用基于Weibull/Possion统计理论的复合材料纤维断裂的Curtin-Zhou模型,较好地描述复合股线中Nb₃Sn超导纤维碎片化过程,建立了分析超导复合股线统计拉伸强度和失效概率的模型。计算结果表明,青铜法Nb₃Sn超导复合股线的拉伸强度随着初始损伤参数的增大而迅速减小;在4.2K服役温度下,当Weibull模量为8时,随着初始损伤参数的增加,股线的拉伸强度约从900MPa衰减至480MPa,与已有实验结果吻合良好;初始损伤参数约为1时,正规化方差最大。初始损伤和Weibull模量对Nb₃Sn复合股线统计拉伸强度和失效概率函数的分布有着显著影响。     

高温超导带材多场特性测试系统研制进展(Ⅰ)

高温超导带材具有高的临界电流密度,高磁场下优异的载流特性以及良好的成型性在强电领域如高场磁体、超导电缆等方面应用潜力巨大。在其应用过程中,不可避免的低温-大电流-强磁场环境将对超导材料的载流能力产生影响,而加工过程中的残余应力以及洛伦兹力的存在会显著的降低超导材料的临界电流,造成相应超导装置功能性难以达到设计要求、且成为重要的安全隐患。本文介绍一种新型的适用于超导带材的力-磁-电多场耦合测试系统,该系统目前采用浸泡式制冷,可实现的主要功能有:(1)超导材料临界电流密度测试;(2)拉伸应变对超导带材临界电流的影响研究;(3)磁场对超导带材临界电流的影响研究;(4)力磁耦合情形下超导材料临界电流的变化规律;(5)超导材料磁通稳定性测试。该设备的成功研制将为我国先进超导材料研发提供基础测试平台。     

Nb_3Sn复合超导体中复杂形貌晶粒及晶界的力学变形分析

Nb_3Sn复合超导体中的晶粒具有复杂的形貌,本文基于密排纤维增强复合材料的相关理论与多晶体有限元分析方法,建立Nb_3Sn复合超导体中晶粒及晶界变形的尺度耦合计算模型,该模型能较为真实地反映细观尺度下Nb_3Sn复合超导体的结构特征;利用该模型研究Nb_3Sn复合超导体在轴向拉伸与压缩加载模式下柱状晶区和等轴晶区的微观局部应力以及晶粒与晶界变形特征,并分析荷载下Nb_3Sn复合超导体中沿晶界的弹性变形变化特点。研究结果表明:在拉压加载条件下,Nb_3Sn多晶体的Mises等效应力表现出非均匀分布的特征,Nb_3Sn等轴晶晶界处以及柱状晶区域与等轴晶交界处为主要的应力集中区域;局部应力与加载应力的比值范围集中在0.11～1.28并沿晶界波动变化,变化幅值依赖于晶粒形貌和复合材料结构。相关结果有助于理解和揭示极低温环境下Nb_3Sn复合超导体的变形和其超导电性能力学效应的起源。     

Nb3Sn单晶超导相转变时的弹性性能变化

Nb3Sn超导体失超，是超导磁体装备运行过程中的重要现象。失超，即超导体从超导相转变为正常相的过程；在强磁场超导磁体工程中，由于超高的储能密度，失超伴随着力/热/电等物理参量在瞬时的剧烈变化。失超瞬时，超导相转变的同时伴随着弹性力学性能的突变，研究超导相转变时弹性性能的变化是失超诱发应力跨尺度分析的关键。本文首先采用第一性原理方法计算了弹性常数随温度的变化规律，结果表明由于未考虑A15结构的超导材料在环境温度变化的情况下产生的特殊电子能带结构，基于准静态近似方法的材料弹性常数计算从0K外推至有限温度时，会导致模拟结果与实验观测结果出现定性上的差异；之后，基于晶格自由能函数，给出了描述立方相Nb3Sn单晶弹性性能随温度变化的解析模型，模型预测结果与实验观测结果定性吻合，初步实现了对Nb3Sn单晶超导相转变时弹性性能变化的理论描述和预测。研究结果对于超导体失超应力的跨尺度模拟及超导磁体的安全分析具有一定的理论参考价值。     

超磁致伸缩材料的擦除特性和同余特性实验研究

超磁致伸缩材料在力磁耦合作用下具有复杂的迟滞响应。Preisach模型可有效描述物理过程中的滞后现象,它具有两个重要特性,即擦除特性和同余特性。擦除特性是指输入局部极大值擦除了加载过程中小于该值的所有极大值,或输入局部极小值擦除了加载过程中大于该值的所有极小值,同时,与这些历史极值相应的加载历史也被擦除,不再影响之后的输出。同余特性是指输入极大值与极小值相同的所有闭合曲线一致。本文通过实验系统地研究了超磁致伸缩材料在多轴力磁耦合场作用下的磁致伸缩曲线、磁滞回线和应力应变的迟滞行为,发现其在力磁耦合下的非线性滞后行为具有擦除特性和同余特性。这满足了Preisach模型描述滞后现象的两个基本要求,验证了利用Preisach模型描述超磁致伸缩材料迟滞行为的可行性,为超磁致伸缩材料的非线性理论和器件设计提供了依据。     

软磁材料的力磁耦合本构的实验研究

磁性材料已经在新技术中起着重要的作用,研究这些磁性材料的力学规律对于磁性材料的应用和发展至关重要.软磁材料在工作状态时,一般受到机械应力场和电磁场双重耦合场的作用,其本构关系本质上是非线性的.这给理论模拟带来了很大困难.目前无论是从实验方面或者是理论模型方面,对软磁材料的力磁耦合本构关系的研究都很不成熟.本文用实验方法,研究了高纯度镍和锰锌复合铁氧体这两种传统软磁材料的力磁耦合本构关系.研制了力磁耦合加载设备,测量设备和监控设备.采用铁氧体粉末烧结方法,烧制了实验所需的圆柱状实验试件.实验结果表明,外加应力对镍和锰锌铁氧体材料的磁致应变具有重要影响,较大预加应力对镍的磁化强度产生较明显的影响.而外应力对锰锌铁氧体材料的磁化曲线影响很小.     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构，由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性，在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而，磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在，极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟，发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应，铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应，使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明，基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应，通过优化设计复合材料中不同组元的结构，可以实现拓扑磁结构的力学调控，从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

Electric-magnetic-force characteristics of rare earth barium copper oxide superconductor high-field coils based on screening effect and strain sensitivity

Rare earth barium copper oxide (REBCO) is the most researched and commercialized second-generation high-temperature superconducting material. Due to the anisotropic structure, strong deformation sensitivity, and central field errors caused by screening current effects, it is still a challenge for commercialization applications. In this study, the transversely isotropic constitutive relationship is selected as the mechanical model based on the structural characteristics of REBCO tapes, and suitable microelements are selected to equate the elastic constants using their average stress-strain relationships. Then, a two-dimensional axisymmetric model for coils wound by single-layer tapes is constructed to analyze the dependence of the electric-magnetic-force distribution in the tape on the strain. Finally, the anisotropic approximation of the homogenized bulk method is used to equate large-turn high-field coils, and the electric-magnetic-force distribution characteristics of the coils with/without screening effects and mechanical strain conditions are investigated, respectively. The results reveal that the mechanical strain has a weakening effect on the electromagnetic field distribution of superconducting tapes, but causes a significant enhancement in the force field distribution. In the presence of 0.5% mechanical strain, the maximum weakening of the peak value of the current density and the critical current density inside the high-field coil can reach about 8% and 13%, respectively, with a nearly 5 times increase in the peak stress. The screening current makes the current field distribution inside the coil improve by about 10 times. The screening current induced magnetic field can reach up to 0.8 T, making the relative error of the high-field coil center up to 7.8%.     

Domain switching and non-linear coupling of ferroelectric composites

One of the most notable characteristics of ferroelectric materials is that they could undergo spontaneous polarization and spontaneous strain changes by applied fields. Reorientation of the spontaneous polarization and spontaneous polarization strain of ferroelectric inclusions in ferroelectric composites can change microstructures and affect effective electroelastic properties of ferroelectric composites. Based on orientation distribution function and its evolution as well as switching criterion, non-linear electromechanical coupling behaviour of ferroelectric composites is studied by application of micromechanics. A constitutive model of ferroelectric composites is developed. Comparison between analytical and experimental results shows that the model presented can describe many non-linear electromechanical coupling problems of ferroelectric composites such as polarization or depolarization, etc.     

压电智能复合材料层合梁的力电耦合模型及层间应力分析

由于非凡的物理性能，石墨烯纳米片(GPL)被认为是最有吸引力的复合材料增强材料之一.GPL增强材料可以明显提高聚偏氟乙烯(PVDF)压电性能和力学性能.在力电载荷作用下，对含均匀石墨烯薄片增强(GSR)智能压电复合材料层合梁层间应力预测至关重要.若对受到力电耦合作用且层与层之间材料性能突变的压电层合梁层间剪切变形预测有误，则其层间应力过大可能导致层间失效.因此，论文提出一种适于分析此类问题且满足层与层之间相容性条件的有效力电耦合模型，用于含GSR致动器的复合材料层合梁层间应力分析.应用Reissner混合变分原理(RMVT),可以提高考虑力电耦合效应的横向剪应力预测精度.三维(3D)弹性理论和所选模型计算结果将用于评估所提梁模型性能.此外，还从力电载荷、压电层厚度、石墨烯体积分数和长厚比等方面对含GSR致动器复合材料层合梁力学响应特性进行了系统的研究.     

添加Ag2Nb4O11的NiAl基复合材料的高温摩擦学性能及高温润滑机理研究

首先采用高温固相反应法合成了由纳米球状结构紧密堆积的微米级粉体Ag₂Nb₄O₁₁,然后通过粉末冶金技术制备了添加铌酸银(Ag₂Nb₄O₁₁)的NiAl基复合材料(NABO20,NiAl-20%Ag₂Nb₄O₁₁),考察其对复合材料显微结构、力学及摩擦学性能的影响. 结果表明:热压烧结过程中,Ag₂Nb₄O₁₁发生高温分解及与C发生氧化还原反应,形成了NbC和Ag相. 铌酸银(Ag₂Nb₄O₁₁)的添加使得复合材料的密度略有增加,并且显著改善了NiAl基复合材料的显微硬度. 在高温摩擦条件下(800 ℃),由于NABO20磨损表面和Al₂O₃对偶球表面均形成完整光滑的润滑膜(Nb₂O₅、Al₂O₃、Ag₂Nb₄O₁₁、AgNbO₃和AgNb₃O₈),两层膜的存在阻隔了对偶球和复合材料的直接接触,抑制了磨损进程,从而有效地提高了复合材料的耐磨性能.      

复合材料弹塑性多尺度分析模型与算法

对材料非线性多尺度分析的计算模型与算法进行研究.在构建周期分布单胞分析算法的基础上,发展针对复合材料结构材料非线性多尺度分析的一般有限元方法.方法的特点是将所建立的单胞分析过程作为有限元分析的子程序嵌入到总程序系统当中,完成对应的高斯点应力计算,因而使所发展的方法具有实现方便的特点.给出数值计算结果,验证了方法与所发展的多尺度有限元分析程序的正确与有效性.     

Multiscale coupling of compliant and rigid walls blood flow models

Numerical methods based on geometrical multiscale models of blood flows solve for averaged flow statistics on a network of vessels while providing more detailed information about fluid dynamics in a specific region of interest. In such an approach, a 3D model based on the Navier–Stokes equations posed in a domain with rigid walls is often used to describe blood flow dynamics in the refined region. While ignoring elasticity effects in 3D models is plausible in certain applications and saves computational time significantly, coupling such models with 1D flow models may result in non‐physiological phenomena in the computed solutions. Thus, the immediate coupling conditions based on continuity of normal stresses, flow rate, pressure, or a combination of thereof do not account for the inconsistency between elasticity effects in the 1D model and the non‐compliance of the 3D model. In this paper, we introduce and study an auxiliary absorbing 0D model, which is placed at the interface between 1D and 3D models. A virtual device mimics the effect of the 3D model compliance and hence reduces pressure wave reflection and instabilities caused by the inconsistency. The absorbing model is developed from basic mechanical principles. As a result, parameters of the 0D model can be designed based on hemodynamic data. We analyze the stability of the geometrical multiscale model and perform several numerical experiments to assess its computational efficiency. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

全应变梯度挠曲电纳米梁有限单元法研究

挠曲电效应是一种存在于所有电介质材料中的特殊的力电耦合效应，本质上是应变梯度与电极化之间的线性耦合。然而，应变梯度会引入位移的高阶偏量，常给挠曲电问题的理论求解带来困难。且已有研究表明应变梯度弹性项会影响纳米结构中的力电耦合响应，但是现有的挠曲电研究大多忽略了应变梯度弹性的影响。因此，本文提出了一种既考虑应变梯度弹性，又考虑挠曲电效应的有效数值方法。基于全应变梯度弹性理论，建立了包含3个独立材料尺度参数的纳米欧拉梁的理论模型和有限元模型，提出了满足C₂弱连续的两节点六自由度单元。基于本文的有限单元法，以简支欧拉梁为例，通过分析讨论挠度、电势和能量效率，得到了挠曲电效应和应变梯度弹性项对梁的力电响应的影响。结果表明，挠曲电效应存在尺寸依赖性，且应变梯度弹性项在纳米电介质结构的挠曲电研究中的影响不可忽略。