基于超导的全张量重力梯度敏感头设计

基于超导的迈斯纳效应与超导量子干涉技术,结合柔性并联机构理论,设计一种基于超导的全张量重力梯度敏感头。敏感头采用6个完全相同的同时具有移动与转动自由度的敏感结构,对称的布置在正六面体外,对称面的两个敏感结构相对旋转90°成垂直状态。轴向间距使两个敏感结构直接测量重力梯度轴向分量,相互垂直使两个敏感结构既可以测量重力梯度交叉分量,也可以测量共模角加速度。利用超导线圈的电感变化响应质量块位移,进一步通过超导回路将其转变为磁场变化,并由超导量子干涉器进行检测。敏感结构采用8分支的柔性并联机构支承,构成空间对称的形式,可以实现对称的力学特性,保证各处的柔性铰链产生均匀变形,减少非对称的偏移,避免单一铰链的应力集中,具有沿轴移动刚度与绕轴转动刚度小、非设计的寄生误差方向刚度大的优势。在惯性系下的全张量重力梯度值可由坐标变换得到,可以预期得到1E的测量精度。     

低温超导核磁共振陀螺仪模型

建立了单工作物质的三自由度3He低温超导核磁共振陀螺仪结构;利用了量子力学和经典动力学,经过严密的力学分析和数学演算,给出了三轴陀螺仪的工作原理和结构示意图;针对陀螺仪的交叉轴角速率耦合问题,给出了附加磁场线圈解耦法和冗余设计结构,最后建立了基于超导量子干涉仪探测磁矩,并采用最小二乘估计法来推导陀螺进动频率.陀螺仪测速范围可以达到10-9～103 rad/s,漂移为10-4 (°)/h.该陀螺仪结合低温超导技术具有高精度的前景.需要进一步对超导量子干涉磁矩检测仪的精度与陀螺性能进行研究.     

脉冲磁场作用下超导圆柱应力分析

高温超导体在脉冲磁化过程中会受到热应力和电磁应力的共同作用。本文基于超导电磁基本方程和热传导方程,分析了上升时间为1s的一种指数脉冲磁场作用下超导圆柱脉冲磁化过程中的应力状态。结果表明:热应力主导了脉冲磁化的应力状态,由于热应力的作用,总径向正应力几乎总为拉应力;无论外磁场的上升和下降阶段,总环向正应力在超导体中呈现三个区域,在中心和边界区域为正,在这两个区域之间为负,且在外磁场的上升阶段,总环向应力在中心区有一个均匀分布区;径向和环向正应力的最大值均出现在外磁场的下降阶段。     

超导线圈在强磁场作用下的弹塑性变形分析

根据超导线圈受电磁力、热膨胀、弯曲应力作用的受力机制,首先理论研究了超导线圈在发生弹塑性变形时内部的应力、应变、位移,然后使用两段直线之间由过渡曲线相连接的简化模型作为超导线的应力-应变曲线的近似特性。利用有限元方法,数值模拟了电磁力作用下典型的Nb3Sn超导线材在不同边界条件下的应力、应变、位移分布情况。计算结果定量显示了超导线的弹塑性变形特性同电流密度的关系,初步预测了超导线圈发生塑性变形的区域和扩展以及支撑结构对超导磁体力学行为的影响。     

针对磁通蠕动效应的超导悬浮动力运动比较研究

针对超导-永磁悬浮系统,分别采用描述超导宏观电磁场本构关系的磁通流动模型和磁通流动与蠕动模型,定量模拟了自由悬浮于超导体上方永磁体的振动。通过比较研究说明磁通蠕动效应对超导悬浮动力运动的影响程度以及这一影响随超导临界电流密度、系统外加激励振幅和频率的变化规律。     

高温超导带材超导涂层局部脱黏后的电磁力学行为分析

高温超导带材因其高载流z能力、低交流损耗等优点, 在超导领域得到了广泛的关注, 然而在带材的应用中出现的力学问题严重阻碍了其应用. 基于此, 本文分析了受外部磁场激励YBCO高温超导带材在超导层局部脱黏后的电磁力学响应. 基于超导临界态Bean模型和弹性力学平面应变方法, 给出了超导薄膜内正应力与基底界面处切应力相关联的控制方程, 基于数值方法研究了超导薄膜内的正应力及基底界面处的切应力随外部磁场的变化规律. 结果显示: 在脱黏区域附近, 超导薄膜内的正应力和基底$\!-\!$薄膜界面处的切应力急剧增大, 该正应力及切应力极易引起超导层的进一步脱黏. 同时, 剪切应力在结构边缘处出现极值. 基底材料的属性, 特别是杨氏模量对结构内的应力影响显著, 在软基底材料结构中, 超导薄膜内将出现较大的正应力, 而基底材料较硬时, 在基底$\!-\!$薄膜界面处将出现较大的剪切应力, 这些因素均会引起超导涂层结构的力学及电学性能的退化. 本文研究可望为超导带材的加工制备及脱黏的处理提供一定的理论指引.      

超导磁力与静压液膜力复合轴承的静动特性分析

以新一代液体火箭发动机涡轮泵为应用前景,提出了一种带小孔节流的超导-液体静压复合推力轴承.该复合轴承由6块圆形超导瓦和6块带有小孔节流的圆形液体静压推力瓦构成,依靠涡轮泵系统自带的低温介质(如液氢液氧等),可以实现超导磁斥力与流体静压力的复合.基于解耦方法分析了复合轴承的静动特性,重点研究不同液膜厚度下复合轴承的承载力和刚度随节流孔径、液腔直径等的变化规律.在设计工作点附近,超导推力瓦和静压推力瓦的承载力大体相当,而后者的刚度则是前者的300倍以上.理论结果表明该复合结构既可以保证启动阶段无接触摩擦,又能在工作阶段保持较高刚度以抗冲击,对设计高可靠性火箭涡轮泵的轴系结构具有参考价值.     

核磁共振陀螺仪分析及发展方向

论述了核磁共振陀螺仪的基本原理,跟踪了国际上几种核磁共振陀螺仪,重点讨论了最有前景的低温超导核磁共振陀螺仪.随着低温和超导量子干涉仪与核磁共振技术的结合,将突破核磁共振陀螺仪的微弱信号提取等关键技术难点，指出了低温超导核磁共振陀螺仪是核磁共振陀螺仪的发方向，其精度高，寿命长等优点将带来可观的前景.     

两种超导体的力学性质

本文测量了YBa_2Cu_3O_(7-6)和Bi_2Sr_2Ca_2Cu_30_y两种超导材料的压缩强度极限和压缩弹性模量E,指出了样品成型压力,试验温度T对σb和E的影响,研究了对超导临界转变温度T_c的影响.     

超导电磁悬浮力的数值模拟

利用超导体宏观电磁场的Kim模型对高温超导体－永磁铁悬浮系统中二才之间的电磁悬浮力进行了定量计算与模拟。通过与已有实验结果比较表明：对超导悬浮力的数值模拟能较好地反映悬浮力的主要特征。在此基础上，给出了超导体内屏蔽电流，铅直悬浮力和面内电磁力的分布情况，数值仿真结果显示了悬浮力的大小与永磁铁的表磁强度和尺寸有关。这些结果为提高超导悬浮力和改进超导宏观电磁场模型提供了理论依据。     

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。     

An analysis for imperfect sensitivity of a superconducting rod

On the basis of the interaction between the electromagnetic field and a solid, the imperfect sensitivity of a superconducting rod is studied in this paper. The influences of the initial deflection of the rod and the initial magnetic field on the stability are discussed. One can see that the bifurcation response of the rod with imperfections is similar to the universal unfolding of the fork bifurcation from the singularity theory.Project supported by the Foundation of the State Education Commission of China and the Natural Science Foundation of Gansu Province.     

高温超导带材多场特性测试系统研制进展(Ⅱ)

考虑到第一代高温超导带材多场特性测试系统采用液氮浸泡的方式进行材料冷却,这极大地限制了其应用范围。另外,封闭的杜瓦结构对于超导材料在变形过程中的电磁特征难以实现有效观测,这成为弄清超导材料变形导致其载流能力下降物理机制的主要瓶颈。为此,我们采用制冷机直接冷却方式,获得了最低6.59K的样品温度。采用PID温度控制,实现了从6.59K至300K样品温度的精确控制,控温精度为0.1K。采用外置式的加载装置,通过机械传动实现对试样的准静态拉伸,其最大拉伸应变可达20%。自行设计了一种高温超导导线,采用制冷机一级冷头直接冷却,实现了密闭杜瓦容器中最大可达600A的电流输入。最后,在杜瓦瓶设置直径50mm的光学观察窗,采用磁光镜像的方法实现了超导材料电磁特性的原位观测。     

超导磁体等效材料参数的有限元预测

HT—7U超导托卡马克装置中纵场超导磁体是由多种材料组成的且具有周期性分布的大型复杂的重要结构，对其宏观等效材料参数的准确掌握在其结构设计阶段是十分重要的。本文着重介绍了利用小参数展开的渐近均匀化方法对其进行等效处理的过程，并采用有限元方法预测出其等效弹性模量与热膨胀系数等，这些都为纵场磁体结构的力学计算与传热分析提供了必要的参数。     

Two-step homogenization for the effective thermal conductivities of twisted multi-filamentary superconducting strand

For the accurate prediction of the effective thermal conductivities of the twisted multi-filamentary superconducting strand, a two-step homogenization method is adopted. Based on the distribution of filaments, the superconducting strand can be decomposed into a set of concentric cylinder layers. Each layer is a two-phase composite composed of the twisted filaments and copper matrix. In the first step of homogenization, the representative volume element (RVE) based finite element (FE) homogenization method with the periodic boundary condition (PBC) is adopted to evaluate the effective thermal conductivities of each layer. In the second step of homogenization, the generalized self-consistent method is used to obtain the effective thermal conductivities of all the concentric cylinder layers. The accuracy of the developed model is validated by comparing with the local and full-field FE simulation. Finally, the effects of the twist pitch on the effective thermal conductivities of twisted multi-filamentary superconducting strand are studied.     

Transient multi-physics behavior of an insert high temperature superconducting no-insulation coil in hybrid superconducting magnets with inductive coupling

A transient multi-physics model incorporated with an electromagneto-thermomechanical coupling is developed to capture the multi-field behavior of a single-pancake (SP) insert no-insulation (NI) coil in a hybrid magnet during the charging and discharging processes. The coupled problem is resolved by means of the finite element method (FEM) for the magneto-thermo-elastic behaviors and the Runge-Kutta method for the transient responses of the electrical circuits of the hybrid superconducting magnet system. The results reveal that the transient multi-physics responses of the insert NI coil primarily depend on the charging/discharging procedure of the hybrid magnet. Moreover, a reverse azimuthal current and a compressive hoop stress are induced in the insert NI coil during the charging process, while a forward azimuthal current and a tensile hoop stress are observed during the discharging process. The induced voltages in the insert NI coil can drive the currents flowing across the radial turns where the contact resistance exists. Therefore, it brings forth significant Joule heat, causing a temperature rise and a uniform distribution of this heat in the coil turns. Accordingly, a thermally/mechanically unstable or quenching event may be encountered when a high operating current is flowing in the insert NI coil. It is numerically predicted that a quick charging will induce a compressive hoop stress which may bring a risk of buckling instability in the coil, while a discharging will not. The simulations provide an insight of hybrid superconducting magnets under transient start-up or shutdown phases which are inevitably encountered in practical applications.     

HT-7U超导托卡马克装置极向场线圈的等效弹性常数及其残余刚度

HT－7装置的超导极向场线圈由导管，超导材料和绝缘体组合而成，具有复杂的正交各向异性的性质。本文从微观力学的观点出发，将极向场线圈整体作为一种复合材料来考虑，采用微观力学的复合律和损伤力学的细观损伤模型，求出了极向场线圈的等效弹性常数和残余刚度；并且，残余刚度的计算结果已得到了实验验证。这些材料特性已被用于有限元分析的输入数据。     

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。