磁约束等离子体推进器磁体系统的电磁力和机械应力分析

根据磁约束等离子体推进器磁体系统的设计参数,通过ANSYS有限元分析软件在电磁-结构耦合场方面的计算,得到磁体系统的轴向电磁力和机械应力的分布。计算超导磁体在通电情况下,磁体中平面上所有节点所受的轴向电磁压缩力以及磁体间的相互作用力;计算出磁体外层用不锈钢钢丝加固前后机械应力分布情况的变化。     

超导磁体绕制预应力有限元分析北大核心CSCD

为保证绕组平整,导线排列紧凑,避免超导磁体运行时因导线过大移动而造成大的机械扰动,在绕制磁体过程中需要对超导线施加适当的绕制张力.超导磁体绕制过程中的预应力问题是一个非线性问题.每绕制一层导线,已绕制导线层中的预应力均会发生改变,磁体中预应力的分布很难用方程来近似表达.本文提出了研究超导磁体绕制应力的详细有限元模型,为导线建立独立模型,为每匝导线施加绕制张力,采用非线性结构分析,动态模拟绕制过程.基于该模型研究了传导冷却超导磁体的预应力,分析了绕制张力对环向应力和径向应力的影响.在该分析结果的基础上可以进一步分析多物理场作用下的超导磁体的应力应变特性,为高性能超导磁体的设计和建造提供理论指导.     

超导磁体绕制预应力有限元分析

为保证绕组平整,导线排列紧凑,避免超导磁体运行时因导线过大移动而造成大的机械扰动,在绕制磁体过程中需要对超导线施加适当的绕制张力.超导磁体绕制过程中的预应力问题是一个非线性问题.每绕制一层导线,已绕制导线层中的预应力均会发生改变,磁体中预应力的分布很难用方程来近似表达.本文提出了研究超导磁体绕制应力的详细有限元模型,为导线建立独立模型,为每匝导线施加绕制张力,采用非线性结构分析,动态模拟绕制过程.基于该模型研究了传导冷却超导磁体的预应力,分析了绕制张力对环向应力和径向应力的影响.在该分析结果的基础上可以进一步分析多物理场作用下的超导磁体的应力应变特性,为高性能超导磁体的设计和建造提供理论指导.     

CCT型超导磁体结构分析

CCT(Canted-Cosine-Theta)型超导磁体为一种新型的磁体结构,它的导体轨迹符合一定的空间曲线方程,磁场则是由多层线圈组合而产生.超导线绕制在骨架的特定线槽中,导线之间由骨架隔开,以阻断电磁力的累积.利用磁体周期性轴向对称特点建立了有限元分析模型,对磁体在降温和加载电磁力作用下进行了结构分析,通过研制样机,首次在磁体内部埋入光纤光栅传感器以监测线圈内部温度和形变,测试结果与分析结果相吻合.     

1.5T关节超导核磁共振成像主磁体电磁机械特性分析

本文设计了用于关节成像的1.5T超导核磁共振成像(MRI)主磁体的电磁结构与机械支撑结构.首先计算了主磁体成像区域及磁体周围的电磁场分布.在此基础上,采用电磁-结构耦合方法计算了主磁体与支撑结构中的应力、应变分布情况.同时分析了不同的支撑材料对磁体应力/应变的影响.给出了1.5T超导MRI主磁体支撑结构的设计标准.     

FAIR项目super-FRS超导磁体结构分析

 国际反质子与离子大科学工程项目中的超导super-FRS磁体包含2个超导线圈,最大磁场为1.6 T,这样大的磁场必然产生很大的电磁力。为了保证磁体运行时的机械稳定性,对项目中的超导super-FRS磁体进行了有限元结构的3维分析。结构分析中采用了ADINA和TOSCA两个有限元软件。ADINA软件主要用于结构中的应力应变计算,而TOSCA软件则主要用于电磁场的磁场强度和电磁力的计算。分析的结果显示super-FRS磁体采用铁芯及线圈盒长边中部加固结构时,其最大形变约0.19 mm,最大有效应力出现在长边中部的很小区域,约为92 MPa。由于线圈盒由316LN不锈钢制成,该结构是合理的。     

FAIR工程中CR二极超导磁体样机的结构分析

介绍了德国FAIR(The Facility for Antiproton and Ion Research)工程中收集环CR(Collector Ring)二极超导磁体的结构设计;用CATIA软件建立了CR二极超导磁体的三维模型,并用有限元分析软件ANSYS对建立的模型进行了磁场和电磁力的分析;基于磁场分析对线圈盒进行了位移和应力的分析;对磁体失超后液氦容器可能出现的最大位移和最大应力进行了分析,为正式磁体的制造提供了必要的参数。     

实验和数值模拟超导绕组的机械特性

为了减少环氧浸渍的超导磁体的锻炼和退化效应，基于实验和数值模拟研究了在热应力的电磁力的条件下超导绕组的机械特性；研究的基本目的是决定超导复合线圈基本的材料特性，其中复合超导绕组的杨氏模量和热收缩系数是基本的参数，使用这些参数我们可以用有限元方法精确地研究超导磁体的机械特性，通过分析各种超导磁体的设计，判断好的和坏的磁体设计，从而发展新的超导磁体的设计标准，形成超导磁体的设计和建造的基本方法，本中我们将通过实验和FEA模拟研究复合绕组的基本参数和应用特性。     

探测结构材料应力的频率谐振技术

设计和建造大型磁体系统(包括常温和低温超导磁体)是目前核聚变工程中重要的问题之一。而磁体研制的核心问题都与强大机械力的存在有关。因此开展对磁体及结构材料应力的研究工作就显得特别重要。 近年来开始应用声学方法研究磁体中与力有关的问题(例如用声发射技术探测超导磁体的工作情况),已取得了有希望的结果。我们对低温与超导磁体中常用结构材料进行过声发射实验研究,也对目前尚存在争论的“磁体猝灭的声发射预测”问题进行了实验研     

超导线圈绕制过程的力学行为研究

为了增加超导线圈中导线的占空比, 提高超导磁体正常运行时的机械稳定性, 通常在超导线圈绕制过程中施加一定的绕制张紧力. 绕制张紧力的大小会对超导磁体的失超特性和退化性能产生重要的影响, 因此有必要对绕制过程中的机械应力进行详细的分析. 本文仔细地分析了绕制过程中导线的受力情况, 进行了一些合理的假设和近似, 提出了研究超导线圈绕制应力的理论模型, 并根据轴对称结构的弹性力学方程式推导了计算超导线圈应力应变分布的理论公式. 基于该模型分别研究了单一绕组的超导线圈和双绕组的超导线圈的绕制应力, 分析了绕制张紧力和绕组的各向异性特性对径向应力和环向应力的影响. 在该理论模型分析结果的基础上可以进一步分析多物理场作用下的超导磁体的应力应变行为, 为高性能超导线圈的设计和建造提供理论指导. 关键词： 超导线圈 机械稳定性 绕制张力 应力     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

EAST超导托卡马克装置中的大型超导磁体技术

随着大型超导核聚变装置、超导储能装置、超导强磁场装置及高能超导加速器技术参数的不断提高，大型超导磁体的应用也在加速发展中．大型超导磁体的场强较高、储能较大，对导体的结构、磁体结构、绝缘结构、制造工艺等要求与通常小型超导磁体有很大的不同．本文旨在对国家重大科学工程项目“EAST（HT-7U）超导托卡马克核聚变实验装置”的大型超导磁体关键技术作一介绍．     

基于近似解析法的超导储能磁体设计

降低超导储能磁体的研制成本一直是控制超导磁储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)总成本的重要手段之一.本文考虑在一定磁体结构参数范围内,磁体产生的最大磁场值可以采用级数进行表示,磁体的电感值可以采用线性函数表示,给出了超导储能磁体磁场能量的近似解析表达式,提出了一种基于近似解析法的超导储能磁体设计方法.该方法以储能磁体的线材用量最小作为设计目标,在给定超导线材参数和临界电流特性曲线,以及磁体储能总量要求的情况下,依据此方法可快速的得到成本最优时所对应的磁体结构参数.将近似解析法优化和采用传统的有限元软件Ansys仿真优化进行对比分析,结果表明采用近似解析法进行磁体优化更加方便快捷,节省了大量计算时间.     

中国科学院近代物理研究所磁体工程进展概述(英文)

本文着重论述了中国科学院近代物理研究所目前正在研制的三大磁体工程,它们包括重离子治癌工程(HIMM),强流重离子加速器(HIAF)工程,以及加速器驱动次临界系统(ADS)。在HIMM工程中的常规磁体建设中,着重介绍了联合运用钝化槽与活极头两项技术改善磁场品质的设计方法,并且运用Opera-3D设计软件,对该类高场常规磁体进行了数值分析,进一步地测量了该磁体磁场分布情况,相关的测量结果与数值模拟结果吻合良好。而对于正在处于预研阶段的HIAF工程中的快脉冲超导二极磁体,讨论了超导磁体的前期设计与结构优化技术,包括CACC超导线缆的结构设计,80 K冷屏与线圈盒结构的优化,力-磁耦合结构计算方法等。而在嬗变核废料处理的C-ADS注入器II中,核心部件是具有高磁场(高达7～8 T)的多层复合超导螺线管磁体结构,介绍了其在励磁和失超过程中相关磁学和力学多场实验测试工作。这些相关的设计和测量技术将为中国科学院近代物理研究所自主研制的磁体工程的物理和结构设计提供方法和指导。     

大孔径背景场磁体的设计与分析

基于中国聚变工程实验堆(CFETR)接头的设计要求，提供了一种大孔径背景场磁体的设计方案。构造出大孔径背景场磁体的结构，利用背景场磁体来得到相应的磁场数据，对比研究磁体的参数对磁场的影响，得出相关参数的变化规律。利用Gandalf 程序模拟计算出CFETR 接头背景场磁体的分流温度，考虑到液氦的流体力学性能，采用Gandalf 程序模拟超导股线的失超行为，估算出较为精确的最小失超能。将最小失超能作为Q₀ 值代入到程序中得出热斑温度值，分析结果表明，设计符合要求，为CFETR 高温超导接头的制作和实验提供了可靠依据。     

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A design scheme of large aperture field magnet is provided based on the design requirements of the China Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR) joints. Using the background field magnet to get the corresponding magnetic field data, the influence of the magnet parameter on the magnetic field is compared, and the corresponding magnetic field data are obtained. Gandalf program was used to simulate the shunt temperature of CFETR field magnet under operating conditions. Considering the hydrodynamic performance of liquid helium, Gandalf program was used to simulate the quench behavior of superconducting strands and to estimate the more accurate minimum quenching energy. The minimum quench value can be used as the Q₀ value inputted into the program to obtain hot spot temperature value. The analysis shows that the design meets the requirements for the production of high temperature superconducting magnets and provide reliable basis for manufacture and experiments.     

永磁体结构对高温超导推力轴承静态特性的影响

基于商用电磁场有限元软件以及M e issner效应假设,提出了对由块状高温超导体和永磁体组成的高温超导推力轴承静态特性进行分析的方法,分析了永磁体的结构对高温超导推力轴承悬浮力的影响。结果发现:永磁体的结构及磁极排列方式对高温超导推力轴承悬浮力的影响很大,适当地选择永磁体的结构和磁极排列方式可以显著地提高高温超导推力轴承的悬浮力。     

辅助永磁体厚度对单畴GdBCO超导体捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

研究了两种磁悬浮系统组态中圆台形辅助永磁体厚度对高温超导体捕获磁场和超导磁悬浮力的影响。结果表明,圆台形辅助永磁体的下表面和GdBCO超导体上表面同处在一个水平面上,磁化用圆台形辅助永磁体的厚度H从5 mm增加到45 mm时,超导体捕获磁场和磁悬浮力与圆台形辅助永磁体的厚度直接相关。（1）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向上且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从21.8 N增大到26.5 N,再减小到22.9 N;（2）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向下且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从20.5 N减小到11.9 N ,再增加到20.4 N;（3）两种磁悬浮系统组态中最大磁悬浮力不一致,与零场冷情况下的最大磁悬浮力14.6 N也不同。在超导磁悬浮应用系统设计中,只有科学选择辅助永磁体形状和尺寸,合理设计组合方式,才能获得较强的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性,该结果对促进高温超导体的实际应用具有重要的指导作用。